MOLAS DE SUSPENSÃO PRODUZIDAS EM DIFERENTES

21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais
09 a 13 de Novembro de 2014, Cuiabá, MT, Brasil
MOLAS DE SUSPENSÃO PRODUZIDAS EM DIFERENTES PROCESSOS DE
JATEAMENTO.
VIEIRA, R. F. P (1); Silva, O. M. M (2); Hashimoto, T. M (3)
(1) Mubea do Brasil, Taubaté Av. Eurico Ambogi Santos 2400, CEP 12042-010.
[email protected].
(2) Centro Técnico Aeroespacial - CTA, Departamento de Ciências e Tecnologia
Aeroespacial DCTA.
(3) Escola de Engenharia – Campus de Guaratingueta, UNESP – Univ. Estadual Paulista.
RESUMO
Molas de suspensão veicular de aço SAE 9254, podem ser produzidas por vários
processos de jateamento distintos, dois desses processos foram investigados, sendo
que a diferença entre os processos estudados é a temperatura em que a mola foi
jateada. Através de ensaios de fadiga, análise de tensão residual via raio X e análise de
falha via microscópio eletrônico de varredura (MEV), foi possível concluir que o
processo de jateamento a temperatura elevada (300 ºC) apresentou profundidade e
intensidades maiores de tensão residual quando comparado ao processo de
jateamento a temperatura ambiente, como consequência o processo de jateamento a
quente elevou a durabilidade da mola em 64 % quando comprado ao processo de
jateamento a frio. As análises das fraturas demonstraram que todas as molas
quebraram pelo mesmo motivo, sendo assim confirmado que a diferença do
desempenho das molas no teste de fadiga é devido ao método de jateamento
empregado.
Palavras-chave: Mola de suspensão veicular, Processos de Jateamento, tensão residual,
análise de falha.
1. INTRODUÇÃO
As empresas fabricantes de automóveis estão exigindo de seus fornecedores o
desenvolvimento de produtos mais leves e resistentes, visando a melhora na função
do componente, redução de custo, e a preservação do meio ambiente devido à
redução de CO2 na atmosfera. Neste contexto as molas de suspensão também são foco
de estudo.
Para atingir as metas de otimização das empresas fabricantes de automóveis, e
também oferecer vantagens econômicas, os fabricantes de mola de suspensão
realizam trabalhos junto aos fornecedores de aço para reduzir a quantidade e o
tamanho de impurezas no metal e também investem cada vez mais na pesquisa e
desenvolvimento de novas tecnologias de processo, tais como os processos de
jateamento que tem por objetivo induzir tensões residuais compressivas na superfície
da mola evitando a iniciação e propagação de trincas que levam a quebra do
componente.
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2. MATERIAIS E EXPERIMENTOS
Foram produzidas molas em três métodos diferentes, sendo o 1º método,
molas sem jateamento, 2º método, molas com jateamento a frio seguido de um
jateamento com a mola comprimida e o 3º método, jateamento a quente (300 ºC)
seguido de um jateamento com a mola comprimida, a Figura 01 demonstra os fluxos
de produção das amostras.
Arame laminado, Ø 12,70 mm
Trefilação, Ø final do arame da
mola = 11,60 mm
Limite de resistência à tração após
têmpera em óleo e revenimento
(2000 – 2050) MPa
Enrolamento a frio
Forno de alívio de tensão
Método 01
Sem
jateamento
Método 02
Método 03
Jateamento a frio
Jateamento a quente
Granalha: 0,8 mm
Velocidade da granalha e tempo
de jateamento foi constante.
Temperatura ambiente
Granalha: 0,8 mm
Velocidade da granalha e tempo
de jateamento foi constante.
Temperatura: 300 - 325ºC
Jateamento com a mola
comprimida frio
Granalha: 0,6 mm
Velocidade da granalha e tempo
de jateamento foi constante.
Temperatura ambiente
Jateamento com a mola
comprimida frio
Granalha: 0,6 mm
Velocidade da granalha e tempo
de jateamento foi constante.
Temperatura ambiente
Te
Pintura e identificação
Te
Figura
01. Fluxo de produção das molas.
A tabela 01 demonstra a composição química do aço SAE 9254 utilizado para a
produção das amostras.
Elementos
SAE 9254
especificado
Resultado
Tabela 1. Composição química do aço SAE 9254.
S
C
Mn
P
Si
Max.
0,50
0,60
Max.
1,20
0,040
0,59
0,80
0,030
1,60
0,008
0,51
0,80
0,0047
1,30
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Cr
0,60
0,80
0,69
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Para que os resultados sejam comparáveis todas as amostras foram produzidas
a partir de um mesmo lote de material, sendo assim o arame laminado foi trefilado
para uma bitola de 11,60 mm. Posteriormente o arame foi tratado termicamente por
temperado e revenido por indução ao qual adquiriu uma tensão de 2000 – 2050 MPa.
A Figura 02 demostra a microestrutura do arame antes e após o processo de
tratamento térmico. As propriedades mecânicas estão demonstradas na tabela 02.
(a) –Superfície do Arame laminado (b) – Superfície do arame temperado
Microestrutura: ferrita + perlita.
Microestrutura: Martensite.
(c) – Núcleo do arame laminado
Microestrutrura: ferrita + perlita
(d) – Núcleo do arame temperado
Microestrutura: Martensite.
Figura 02. Microestrutura, (a, b) superfície do arame antes e após o tratamento
térmico. (c, d) núcleo do arame antes e após o tratamento térmico (Nital 2%,
amplitude de 500X).
Tabela 02. Propriedades mecânicas do arame temperado e revenido.
Tensão máxima
Tensão de escoamento
Redução de área
Dureza
(MPa)
(MPa)
(%)
(HRc)
2037
1811
49
54,4 + 0,4
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Após o tratamento térmico o arame foi conformado a frio em mola helicoidal
de suspensão, após a conformação a mola foi submetida ao forno de alívio de tensão,
jateamento e pintura. Os parâmetros dos processos de jateamento estão descritos na
tabela 03. As granalhas utilizadas nos processos estavam conforme a especificação.
Tabela 03. Parâmetros utilizados no jateamento.
Condições de jateamento
Método
01
02
03
Etapa de jateamento
Granalha
(mm)
Tempo de
jateamento (s)
Velocidade da
granalha e
intensidade de
jateamento
1º - Sem jato
-
-
-
1º - Jateamento a frio
0,8
2º - Jateamento a frio
com a mola comprimida
0,6
1º - Jateamento a quente
0,8
Constante entre
os processos de
jateamento.
Constante entre os
processos de
jateamento.
2º - Jateamento a frio
com a mola comprimida
0,6
A figura 03 demonstra as condições superficiais das molas após o processo de
jateamento.
(a)
(c)
(b)
Figura 03. Condição superficial das molas após o processo de jateamento, (a)
mola sem jateamento, (b) mola com jateada conforme método 2, (c) mola jateada
conforme método 3.
Após a preparação das amostras foi realizado as medidas de tensões residuais
que foram realizadas na segunda espira da mola por difração de raios-x com
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decapagem por ácido. As profundidades em que as tensões residuais foram medidas
foram de aproximadamente: 5 µm; 50 µm; 120 µm; 210 µm e 320 µm.
Os ensaios foram realizados em uma mola de cada método de jateamento em
estudo, o equipamento utilizado foi um difratômetro de raios-x da marca Bruker AXS,
modelo D8 advance, a Figura 04 demonstra o equipamento utilizado.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 04. (a, b) Equipamento de difração de raios-x para determinação da tensão
residual; (c, d) equipamento para remoção de material com ácidos para
medir a tensão residual abaixo da superfície.
(Cortesia da Sra. Nicole Westerwinter – Mubea Weißensee, Alemanha).
Para avaliar a durabilidade das molas foi realizado teste de fadiga em três níveis
de tensão, sendo testadas no mínimo quatro molas em cada nível de tensão,
totalizando no mínimo 12 testes por método de jateamento em estudo, sendo possível
determinar as curvas SN (Tensão aplicada, S / número de ciclos até a falha, N).
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As tensões aplicadas na mola dependem das alturas de compressão mínima e
máxima a qual a mola é ajustada na máquina de teste de fadiga, não sendo aplicado
nenhum tipo de carga externa para a realização do teste. As amplitudes das tensões
aplicadas são constantes durante o teste de fadiga.
A Tabela 9 indica as condições dos testes de fadiga, sendo a condição de teste
02 a tensão aplicada para essa mola no automóvel.
Tabela 04. Condições dos testes de fadiga para cada processo em estudo.
Tensões aplicadas (MPa)
Nº do
teste
Frequência do
teste (Hz)
Tensão mínima
(σmin)
Tensão média
(σm)
Tensão máxima
(σmax)
1
268
709
1151
3,1
2
233
709
1186
3,1
3
203
709
1215
3,1
A Figura 04 mostra a máquina de teste de fadiga utilizada para os ensaios e o
ciclo de carregamento das tensões aplicadas nas molas.
Figura 04. Máquina de teste de fadiga e o modo de carregamento das tensões
aplicadas no teste de fadiga.
As molas que falharam durante o teste de fadiga foram examinadas em
um microscópio eletrônico de varredura com EDS acoplado da marca Oxford
Instruments, modelo Quanta 400HV D8077, com o uso do programa INCA 4880.
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3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
3.1. Análise de tensão residual
A Figura 05 demonstra o resultado de análise de tensão residual realizado em
uma mola de cada método em estudo.
Figura 05. Comparação das tensões residuais.
A mola que não foi jateada (método 1) apresentou apenas tensões residuais
trativas, ou seja, susceptível à nucleação e propagação de trincas.
Nas molas jateadas pelo método 2 (jateamento a frio na qual a mola está a
temperatura ambiente) e pelo método 3 (jateamento a quente na qual a mola está a 300
ºC durante o processo de jateamento).
Comparando os resultados de tensão residual para ambos os métodos de
jateamentos podemos observar que, o efeito da temperatura na curva de tensão residual
foi significativo, tanto no valor máximo de tensão residual compressiva que aumentou
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em 14 %, como na profundidade da tensão residual que foi aumentada em 19 %,
conforme demonstrado na Tabela 05.
Tabela 05. Características da curva de tensão residual, Figura 05.
Processo
Tensão superficial
(MPa)
Tensão de compressão
Máxima (MPa)
Profundidade
(µm)
71
-
-
-863
- 1223
230
-758
- 1394
274
Método 1
(Sem jateamento)
Método 2
(Jateamento a frio)
Método 3
(Jateamento a quente)
3.2. Resultado do teste de fadiga
Os resultados de fadiga são mostrados na Tabela 06 e na Figura 06 que mostra a
curvas S-N, as molas produzidas pelo jateamento a quente (método 03) apresentou o
melhor desempenho em fadiga, seguido pelas molas produzidas no jateamento a frio
(método 02) e o prior desempenho foi das molas produzidas sem jateamento (método
01).
Tabela 06. Resultado do teste de fadiga para cada método de jateamento.
Tensão
aplicada
(MPa)
1151
1186
1215
Nº.
amostra
Método 1
Sem jateamento
Ciclos de fadiga para cada processo
Método 2
Método 3
Jateamento a frio
Jateamento a quente
1
28.203
309.540
549.288
2
23.635
1.232.858
1.603.289
3
29.587
1.542.398
2.167.550
4
26.184
2.645.457
3.139.784
5
-
-
3.726.382
Média
26.902 + 2.588
1.432.563 + 963.369
2.237.259 + 1.253.800
1
15.474
226.225
182.934
2
18.698
325.832
409.630
3
16.546
576.595
536.392
4
16.907
576.595
801.368
5
-
-
1.210.998
Média
16.906 + 1.341
426.312 + 178.233
628.264 + 395.001
1
17.847
238.647
596.453
2
17.847
259.469
670.058
3
19.025
407.671
844.032
4
21.811
621.293
1.155.668
Média
19.133 + 1.870
381.770 + 176.527
816.553 + 248.770
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Figura 06. Curva tensão versos o número de ciclos (cursa SN).
3.3. Resultado da análise de falha das molas
As molas do método 01 (sem jateamento) quebraram com o menor número de
ciclos em todos os níveis de tensão aplicados, as origens das quebras foram na região de
maior tensão na superfície da mola. Provavelmente as molas quebraram por
apresentarem tensões residuais tratativas em toda a superfície, o que contribuiu para a
geração e a propagação de trincas em pequenos defeitos superficiais, a Figura 07
demostra um exemplo de fratura da mola sem jateamento.
Figura 07 – Exemplo de análise da fratura da mola produzida pelo método 01.
As molas produzidas pelo método 02 (jateamento a frio) apresentaram o segundo
melhor desempenho em fadiga em todos os níveis de tensão aplicados. Todas as molas
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quebraram com início de trinca em inclusões, a figura 08 demonstra um exemplo de
quebra.
Figura 08 – Exemplo de análise da fratura da mola produzida pelo método 02.
As molas produzidas pelo método 03 (jateamento a quente) apresentaram o
melhor desempenho em fadiga em todos os níveis de tensão aplicados. Todas as molas
quebraram com início de trinca em inclusões, a figura 09 demonstra um exemplo de
quebra.
Figura 09 – Exemplo de análise da fratura da mola produzida pelo método 03.
Foi realizada uma análise comparativa entre as inclusões que geraram a quebra
das molas do método 2 e do método 3, a dimensão das inclusões, a distancia entre a
inclusão até a superfície da mola e a composição química das inclusões foram
comparadas e as mesmas apresentam as mesmas características, portanto ficou
evidente que o motivo da diferença no número de ciclos das molas produzidas pelo
método 2 e pelo método 3 foi devido as diferenças nas tensões residuais compressivas
geradas pelo método de jateamento.
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4. CONCLUSÃO
O jateamento aumenta a vida em fadiga das molas significativamente e cada
processo estudado obteve um desempenho diferenciado. O método de jateamento 02
aumentou a vida em fadiga em 3560 % quando comparado ao desempenho das molas
sem jateamento. O método de jateamento 03 aumentou em 5850 % quando comparado
ao desempenho das molas sem jateamento.
Comparando os métodos de jateamento 02 e 03 a diferença entre eles é a
temperatura da mola no 1º estágio de jateamento. No método 03 a mola é jateada a
quente e no método 02 a mola é jateada a frio. A diferença entre os processos gerou
diferentes perfis de tensão residual, onde a máxima tensão residual compressiva e a
profundidade da tensão residual compressiva do jateamento a quente (método 03) é
maior que a do método com jateamento a frio (método 02) em 14 % e 19 %
respectivamente. O efeito do jateamento a quente foi à elevação da vida em fadiga das
molas em 64 %.
As molas do método 01 (sem jateamento) falharam devido a pequenos
concentradores de tensão e devido às tensões residuais trativas na superfície das molas.
As molas do método 02 e 03 quebraram por trincas iniciadas em inclusões,
comparando as características das inclusões foi constatado que as inclusões apresentam
as mesmas características de tamanho, distancia da inclusão até a superfície e
composição química, portanto é possível concluir que as inclusões não tiveram
interferência na comparação da vida em fadiga das molas dos processos de jateamento
estudados.
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5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS
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