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RANIELLI ANTÔNIO DE BASTIANI IDENTIFICAÇÃO DA FALHA DE FRATURA EM UMA CORRENTE DO TIPO LEAF LH1246 Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Colegiado do Curso de Engenharia de Produção Mecânica da Universidade do Oeste de Santa Catarina como requisito parcial à obtenção do grau de Engenheiro de Produção Mecânica. BANCA EXAMINADORA Prof. Msc. Sérgio Luiz Marquezi Universidade do Oeste de Santa Catarina – UNOESC Prof. Msc. Adriana Biasi Vanin Universidade do Oeste de Santa Catarina - UNOESC Prof. Msc. Leandro Fabris Possamai Universidade do Oeste de Santa Catarina – UNOESC 1 IDENTIFICAÇÃO DA FALHA DE FRATURA EM UMA CORRENTE DO TIPO LEAF LH1246 Ranielli Antônio De Bastiani¹ Sérgio Luiz Marquezi² RESUMO O presente trabalho foi desenvolvido dentro de uma empresa do ramo agroindustrial. Foi identificada uma situação problema dentro do setor de estocagem desta empresa, onde ocorreram oito falhas consecutivas em correntes do tipo leaf LH1246, utilizadas pelo sistema de elevação principal das oito empilhadeiras usadas no processo. Estas falhas além de trazerem prejuízos econômicos para a empresa podem colocar a segurança dos colaboradores em perigo, portanto o foco deste trabalho concentra-se na identificação destas falhas, para se possível, levantar suas causas e posteriormente propor soluções que venham a sanar o problema. Para isso foi realizado um levantamento do desgaste nas correntes, tendo também seu material analisado de maneira macro e microscopicamente, realizando ainda ensaios para obter algumas propriedades mecânicas do componente. Por meio dos estudos realizados foi possível constatar que a falha nas correntes ocorreu devido a fadiga associada à corrosão e que as correntes deveriam ter sido substituídas de maneira preventiva por apresentarem um elevado nível de desgaste, indicando a possibilidade de que o controle de desgaste das mesmas não é realizado de maneira adequada dentro da empresa, foi identificado também que o lubrificante utilizado não é o mais indicado para este tipo de componente mecânico. Palavras chave: Correntes leaf LH1246; Identificação de falha; Corrosão. 1 INTRODUÇÃO Todas as máquinas e equipamentos são projetados para desempenhar suas funções corretamente, para isso, todos os seus componentes devem estar em perfeito estado. O ciclo de vida dos componentes de uma máquina pode variar conforme cada projeto e cada aplicação, aliado ao projeto entram os conceitos de manutenção preventiva, que buscam avaliar o estado dos componentes e realizar a troca dos mesmos quando necessário para evitar assim a falha da máquina. Porém, mesmo tomando essas medidas preventivas ainda assim existe uma possibilidade de que o processo não ocorra como especificado em projeto, quando isso ocorre se faz necessária uma análise da falha para identificar os motivos que a acarretaram, para posteriormente tomar medidas que evitem que isso volte a acontecer. 1 Acadêmico do curso de Engenharia de Produção Mecânica da Unoesc; rani_dbastiani@hotmail.com 2 Professor orientador do curso de Engenharia de Produção Mecânica da Unoesc; sergio.marquezi@unoesc.edu.br 2 Em uma empresa da área de agroindústria, dentro do setor de estocagem, ocorreram oito falhas prematuras e consecutivas na corrente principal do sistema de elevação das empilhadeiras utilizadas no processo. As empilhadeiras são locadas de uma empresa terceirizada que fornece também o serviço de manutenção das mesmas, todavia, os gastos com componentes de reposição ficam a cargo da empresa contratante. A empresa locadora, a qual realiza a manutenção nas empilhadeiras, relatou também que nenhuma das correntes, citadas anteriormente, apresentou indicativo que justificasse a troca das mesmas. Devido à falta de indícios que justifiquem as falhas, visando também a não interrupção do processo no setor de estocagem e a segurança dos colaboradores que trabalham no local, faz-se necessária uma análise das falhas para identificar os motivos que provocaram as quebras. Após a identificação dos motivos medidas devem ser tomadas para que este tipo de situação não volte a ocorrer, provendo assim mais segurança e produtividade para o setor em questão. Portanto, o foco desse trabalho está em conhecer a falha, abrangendo a verificação dos métodos de controle de desgaste, análise das propriedades mecânicas do material das correntes, análise macroscópica e microscópica da falha, para se possível, identificar quais os agentes causadores da mesma e, assim, propor medidas que venham a impedir a repetição deste problema. 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1 FALHA Para Callister e Rethwisch (2013), a falha em materiais de engenharia é, na maioria das vezes, um evento indesejável, porém apesar do atual nível de conhecimento sobre materiais é difícil afirmar que um projeto está livre de falhas. Seleção e fabricação inadequada de materiais e peças, erro de projeto ou utilização indevida de componentes e erros ou faltas no processo de manutenção estão entre as mais comuns causas de falha. Quando uma falha acontece se faz necessária uma investigação de suas causas para então tomar as medidas necessárias visando à prevenção de futuros incidentes. 2.1.1 Fratura Dúctil e Fratura Frágil De acordo com Callister e Rethwisch (2013), fratura é definida pela separação de um corpo em duas ou mais partes decorrente de tensão estática, fadiga ou fluência, estando este corpo em temperaturas significativamente mais baixas do que a temperatura de fusão do material. Podendo ainda a fratura ocorrer por diferentes tipos de solicitações mecânicas como 3 tração, compressão, cisalhamento, torção ou solicitações combinadas. Existem dois tipos de fratura para materiais metálicos, fratura dúctil e fratura frágil. A diferença encontra-se basicamente na capacidade do material em se deformar plasticamente absorvendo energia durante esta deformação. Materiais dúcteis apresentam grades deformações e absorção de energia antes da fratura, enquanto materiais frágeis, por sua vez, apresentam pouca ou nenhuma deformação plástica e baixa absorção de energia antes da fratura. Toda fratura passa por duas etapas, formação e propagação de trincas devido à imposição de uma tensão. O tipo de fratura está intimamente ligado com a maneira em que a trinca se propaga. Em uma fratura dúctil, a trinca se propaga lentamente e o material apresenta grande deformação plástica próximo a ela, além disso, essas trincas são estáveis, ou seja, elas não tendem a continuar se propagando a menos que a intensidade da tensão aplicada sobre o material aumente. Em contra partida, para uma fratura frágil, a trinca se propaga de maneira acelerada, apresentando pouca deformação plástica, podem ainda ser consideradas instáveis, pois uma vez iniciada a trinca, ela continua a se propagar mesmo que a intensidade da tensão aplicada sobre o material não aumente (CALLISTER; RETHWISCH, 2013). De acordo com Callister e Rethwisch (2013), na superfície de uma fratura frágil em materiais metálicos, podem-se observar algumas linhas denominadas “marcas de sargento” em formato de “V” apontando para o ponto de partida da trinca, em outros casos encontram- se nervuras seguindo um padrão em formato de leque, partindo do ponto de início da trinca. Estas “marcas de sargento” são de grande importância para a análise de falhas, pois permitem identificar qual foi o ponto de início da trinca. 2.1.2 Fratura por Fadiga Callister e Rethwisch (2013) afirmam que, todo o corpo submetido a ação de tensões dinâmicas e variáveisestá suscetível a falhar em virtude de fadiga. Este tipo de falha é denominado como fadiga devido a sua ocorrência se dar após longos ciclos de operação sob tensões variáveis no material. De maneira peculiar, a falha neste tipo de situação pode ocorrer com um grau de tensão consideravelmente menor do que a tensão máxima admitida ou mesmo do que a tensão de escoamento do material, se comparado a cargas estáticas. É estimado que cerca de 90% das falhas em materiais metálicos seja devido à fadiga, tornando- se assim a maior causa individual de falhas em metais. Elementos de máquina são componentes que normalmente estão submetidos a tais condições. 4 A falha por fadiga é sempre de natureza frágil, mesmo que ocorra em materiais dúcteis, apresentando pouquíssima ou então nenhuma deformação plástica. A ruptura sucede em decorrência da formação e propagação de trincas (CALLISTER; RETHWISCH, 2013). Callister e Rethwisch (2013), caracterizam a falha por fadiga em três etapas, que são: iniciação da trinca, onde em um ponto do material é formada uma pequena trinca; propagação da trinca, nesta etapa a trinca aumenta lentamente devido aos ciclos de tensão aplicados no material; e por fim a falha final, que ocorre de maneira repentina após a trinca ter atingido um tamanho crítico. O ponto de início da trinca, neste tipo de ruptura, é normalmente um ponto de concentração de tensões localizado na superfície do material que pode ter sido gerado por fatores como riscos de usinagem, rasgo de chaveta, furos, ângulos vivos, pontos de corrosão, entre outros. Para Callister e Rethwisch (2013), a região de uma superfície que fraturou devido à fadiga, normalmente apresenta marcas chamadas de “marcas de praia” e “estrias”. Essas marcas apontam a posição da extremidade da trinca em conformidade com o avanço que esta apresentou antes da ruptura e apresentam-se como nervuras concêntricas que se expandem para longe dos sítios de iniciação da trinca, geralmente em padrões circulares ou semicirculares. As marcas de praia podem ser observadas a olho nu, enquanto as estrias possuem dimensões microscópicas e, portanto, só podem ser observadas com o auxílio de microscópios. Callister e Rethwisch (2013), afirmam que se pode concluir a causa de uma falha por meio da análise da superfície da ruptura. Ressaltam ainda que a presença de marcas de praia ou de estrias, ou ainda de ambas, confirma que a causa da falha foi fadiga, todavia a ausência dessas marcas não elimina esta possibilidade. Fatores ambientais também podem influenciar no comportamento de materiais em fadiga. Quando se trabalha em ambientes com temperaturas elevadas ou muito baixas e principalmente quando ocorre uma grande variação nesta temperatura ocorre a expansão ou contração do material, se houver restrição a estes movimentos, serão geradas no material tensões térmicas, que pode também ocasionar o início de uma trinca (CALLISTER; RETHWISCH, 2013). Ainda, de acordo com Callister e Rethwisch (2013), há também a possibilidade da falha ocorrer devido a ação simultânea de tensões variáveis e ataque químico, caracterizando fadiga associada à corrosão, quando, por exemplo, o material reagir com o meio em que está inserido gerando pontos de corrosão, chamados também de pites, por sua vez os pites de 5 corrosão se tornarão pontos de concentração de tensões e portanto, locais propícios para a nucleação de trincas. 2.2 CORRENTES Correntes são elementos de máquina flexíveis que são utilizados para transmissão de potências ou forças através de distâncias relativamente grandes. São componentes que se caracterizam por não apresentarem deslizamento e nem estiramento, além de ser um elemento de máquina com grande vida útil. As correntes são classificadas por sua geometria e dimensões (SHIGLEY, 1984). As correntes analisadas neste trabalho são do tipo leaf, do inglês “folha”, são regulamentadas pela norma internacional ISO 4347, definindo este nome devido ao formato de seus elos, ou placas, e são ainda subdivididas conforme suas dimensões de passo, placa e também pela quantidade de placas, de acordo com essas subdivisões as correntes utilizadas no sistema principal de elevação das empilhadeiras da empresa são denominadas correntes leaf LH 1246, onde a sigla LH indica que a corrente é derivada da norma ISO 606 A, os dois primeiros dígitos correspondem ao valor do passo multiplicado por 1/16 de polegadas e os dois últimos dígitos correspondem ao número de placas existentes nos passos externos e internos , respectivamente. Para Shigley (1984), as correntes estão sujeitas a desgaste tanto nos pinos quanto nos elos devido ao atrito existente entre as partes, ocasionando assim, um alongamento do seu comprimento original. Os principais fatores que levam ao fim da vida útil de uma corrente, ou mesmo a falha da mesma, são o elevado nível de desgaste nos pinos e elos e também a fadiga. A lubrificação nas correntes é altamente recomendada a fim de se obter uma vida útil longa e livre de problemas, reduzindo o atrito e protegendo contra a oxidação. A lubrificação deve ser feita por respingamento e por banho parcial no lubrificante, recomenda-se óleo mineral leve ou médio, sem aditivos, óleos pesados e graxas possuem uma viscosidade elevada, o que dificulta a penetração do lubrificante nas pequenas folgas existentes nas correntes. A manutenção nas correntes do tipo leaf consiste em preventiva, que visa evitar a ocorrência de falhas por meio de manutenções planejadas em intervalos de tempo predeterminados, e também manutenção preditiva, que consiste no monitoramento da máquina observando alterações de condição ou desempenho, ou seja, atentar aos sinais que precedem a falha e intervir antes do seu acontecimento (KARDEC; NASCIF, 2015). 6 2.3 AÇOS De acordo com Chiaverini (2008), aços são ligas compostas principalmente por ferro e carbono, com teores de carbono variando próximo aos limites de 0,008% até 2,14%, podendo ainda conter elementos de liga adicionados propositalmente com a finalidade de se atingir certas propriedades mecânicas, sendo estes denominados aços liga, ou contendo apenas elementos residuais oriundos do processo de fabricação, recebendo o nome de aço carbono. Ligas com porcentagem de carbono inferiores a 0,008% são consideradas ferro puro, já ligas com porcentagens de carbono superiores a 2,14% são consideradas ferro fundido. 2.3.1 Estrutura Cristalina e Microestrutura dos Aços Segundo Callister e Rethwisch (2013), os materiais podem ser classificados de acordo com a regularidade pela qual seus átomos se arranjam uns em relação aos outros. Um material é considerado cristalino quando seus átomos estão posicionados em um padrão periódico de longo alcance, cada átomo ligando-se com seus vizinhos mais próximos em um arranjo tridimensional uniforme. Todos os metais formam estruturas cristalinas. As propriedades mecânicas dos materiais estão intimamente ligadas com sua estrutura cristalina e também com sua composição química. Apesar de existir um vasto número de estruturas cristalinas diferentes com complexidades variadas, nos metais são comumente encontradas três tipos de estruturas, que são: cúbica de corpo centrado (CCC), cúbica de face centrada (CFC) e hexagonal compacta (HC), todas consideradas de baixa complexidade (CALLISTER; RETHWISCH, 2013). De acordo com Silva e Mei (2010), quando aquecido o ferro puro apresenta mudanças em sua estrutura cristalina antes de atingir o ponto de fusão, variando sua forma de ferrita, ou ferro α, para austenita, ou ferro γ e posteriormente para ferrita δ. Este processo sofre algumas alterações à medida que é adicionadoo carbono como elemento de liga, ligando-se com o ferro formando um carboneto de ferro de alta dureza denominado cementita (Fe3C). Todo esse processo é conhecido e pode ser observado no diagrama de fases ferro-carbono. Para Silva e Mei (2010), a martensita é uma fase importante no diagrama ferro- carbono, sendo uma solução sólida supersaturada de carbono em ferro, apresentando estrutura cristalina do tipo tetragonal de corpo centrado (TCC), que é uma forma distorcida da estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC). A martensita é uma fase metaestável obtida por meio do resfriamento brusco da austenita γ, sendo alcançada apenas pelo tratamento térmico de tempera, a alteração da estrutura ocorre de maneira muito acelerada, normalmente permanecendo quantidades significativas de austenita retida no material. A martensita aparece 7 em formas de ripas em aços com menores teores de carbono e em formas de agulhas em aços com teores de carbono mais elevados, agrega valores elevados de dureza e fragilidade às ligas. De acordo com Callister e Rethwisch (2013), a formação da microestrutura de uma liga metálica depende de alguns fatores, os principais são a porcentagem de carbono presente na liga e a velocidade de resfriamento após o aquecimento acima da temperatura crítica de 727ºC. Quando uma liga é eutetoide, ou seja, apresenta cerca de 0,76% de carbono, durante o resfriamento, ao passar pela temperatura crítica, toda a austenita γ se transformará em ferrita α e cementita simultaneamente, formando camadas alternadas ou lamelas das duas fases, recebendo o nome de perlita. Portanto a perlita possui um valor equilibrado de ferro α e Fe3C, possuindo dessa forma uma harmonia entre as propriedades de ductilidade, existente na ferrita α e dureza, existente na cementita. Quando este processo ocorre em ligas hipoeutetoides, que são ligas com teores de carbono inferiores a 0,76%, além da formação da perlita há também a formação de ferrita α sem a presença de cementita, esta por sua vez, recebendo o nome de ferrita proeutetoide. De maneira contrária, em ligas hipereutetoides, ligas com teores de carbono acima de 0,76%, juntamente com a formação da perlita existe a formação de cementita sem a presença de ferro α, sendo denominada como cementita proeutetoide. É importante ressaltar que a quantidade de cada fase presente na microestrutura irá variar de acordo com a porcentagem de carbono na liga. 2.3 CORROSÃO Para Gentil (2012), corrosão pode ser definida como deterioração de um material, devido a ações químicas ou eletroquímicas entre o material e o meio em que ele está inserido, podendo haver ou não relação com esforços mecânicos. A corrosão é comum em materiais metálicos, sendo um processo espontâneo que causa transformações no material, podendo acarretar em desgaste, variações químicas e estruturais, dessa forma alterando sua durabilidade e desempenho, tornando-se assim um fenômeno prejudicial e indesejável. Segundo Gentil (2012), os metais são geralmente encontrados na natureza em forma de compostos, como óxidos e sulfetos metálicos, que são relativamente estáveis, para que se possam obter suas formas refinadas, faz-se necessário uma grande quantidade de energia. Portanto as ligas metálicas possuem um nível energético muito superior aos compostos que lhes deram origem, desta maneira, a reação entre os metais e os fluidos do meio, como por exemplo, água e oxigênio, tende a ser espontânea, transformando as ligas novamente em compostos. 8 Os processos de corrosão são reações químicas ou eletroquímicas heterogêneas que se dão na superfície de separação entre o metal e o meio corrosivo. Neste processo o metal sofre oxidação, cedendo elétrons para um agente oxidante presente no meio. Existem tipos diferentes de corrosão, que podem ser classificados de acordo com sua aparência ou forma de ataque (GENTIL, 2012). Neste trabalho, será abordada apenas corrosão do tipo pite, devido à sua relevância no estudo da falha em questão. Para Galvele (1978) apud Picon et al. (2010), a presença de certos ânions agressivos no ambiente tem relação direta com a formação de pites de corrosão. Dentre os ânions, o íon cloreto apresenta maior agressividade, além disso, é encontrado abundantemente na natureza. A corrosão por pites ocorre em pequenas áreas localizadas na superfície do metal, formando cavidades que apresentam fundo em forma angulosa e profundidade geralmente maior que seu diâmetro (GENTIL, 2012). Os pites penetram a partir da superfície, de maneira perpendicular para o interior do material, em uma direção praticamente uniforme, este tipo de corrosão apresenta uma redução muito pequena de material em cada pite, porém é comum que exista uma grande concentração de pites próximos uns dos outros, gerando assim uma perda considerável de material podendo acarretar na falha do componente metálico (CALLISTER; RETHWISCH, 2013). Para Callister e Rethwisch (2013), a oxidação ocorre no interior do próprio pite, com uma redução complementar na superfície do metal. Defeitos superficiais como arranhões ou pequenas variações na composição química podem ser fatores iniciadores de pites, desta maneira, componentes com superfícies polidas apresentam maior resistência contra este tipo de corrosão. O Esquema 2 mostra um metal M sofrendo corrosão do tipo pite, devido a uma solução de cloreto de sódio aerada. Nas regiões vizinhas ao pite, ocorre redução do oxigênio, enquanto dentro do pite ocorre dissolução do metal de maneira acelerada, produzindo assim um excesso de cargas positivas nesta região, ocasionando a migração de íons de cloreto para reestabelecer a eletroneutralidade, formando-se assim, uma alta concentração de cloretos metálicos no fundo do pite e também de íons de hidrogênio resultantes da reação de hidrólise. Tanto o íon hidrogênio quanto o cloreto impulsionam a dissolução da maioria dos metais e ligas, produzindo assim condições que são tanto estimulantes quanto necessárias para a continuação do pite (FONTANA, 1987). 9 Esquema 2 – Corrosão por pite. Fonte: Fontana (1987). 2.5 ENSAIOS DOS MATERIAIS De acordo com Garcia e Spim (1999), a realização de ensaios mecânicos é de extrema importância para a aquisição de informações técnicas a respeito dos materiais, limite de escoamento, limite de resistência à tração, dureza e microestrutura do material são, entre outros fatores, dados muito importantes principalmente quando se refere à análise de um componente ou material, estes valores são descobertos por meio de ensaios. O ensaio de tração consiste na aplicação de carga de tração uniaxial crescente em um corpo de prova específico até sua ruptura. Este é amplamente utilizado devido às informações que ele proporciona sobre o material, nele é mensurado o alongamento sofrido pelo material em função da carga aplicada (GARCIA; SPIM, 1999). O ensaio de tração em correntes do tipo leaf obedece aos parâmetros estipulados na norma ISO 4347, que define dimensões do corpo de prova, como o corpo de prova deve ser preso à máquina, de que maneira o teste deve ser realizado e também qual a carga que cada tipo de corrente deverá suportar. Segundo Garcia e Spim (1999), ensaio de dureza consiste na aplicação de pressão em uma ponta de penetração contra o material. São utilizados penetradores construídos de materiais conhecidos e com medidas padrão, o penetrador é pressionado contra o material com uma carga conhecida, causando deformação plástica na peça a ser ensaiada, a área e a profundidade da marca deixada pelo penetrador são medidas e comparadas com valores numéricos que correspondem à dureza dos materiais.Para Colpaert (2008), metalografia é um termo bastante abrangente que consiste na avaliação visual de uma peça ou amostra metálica, seja feita com ou sem o auxílio de 10 microscópios, tanto para observação da macroestrutura como da microestrutura ou ainda a estrutura cristalina do material. A metalografia pode ser dividida em vários conceitos de acordo com o tipo de análise e o equipamento necessário para realizá-la. Os processos metalográficos mais comumente utilizados são a macrografia e a microscopia ótica que demonstram a macro e microestrutura do material, respectivamente. Segundo Colpaert (2008), a macrografia avalia a superfície de um material, podendo ser em tamanho real ou com ampliações por meio de equipamentos como lupas ou microscópios. Mediante este procedimento é possível observar a macroestrutura do material, é amplamente empregado na análise de falha, pois pode demonstrar aspectos da fratura, ajudando assim a determinar sua causa. Colpaert (2008) define microscopia ótica como um exame do aspecto de uma amostra metálica, segundo uma seção plana devidamente polida e, em geral, atacada por um reativo apropriado. Possuindo a finalidade de visualizar a microestrutura dos metais, é a técnica mais usada para este fim, utilizando o auxílio de um microscópio e luz visível que incide sobre a amostra e é refletida até o observador. 3 MATERIAIS E MÉTODOS Diante da situação problema apresentada, foi solicitado à empresa amostras das correntes leaf LH 1246 que romperam, porém devido a um problema interno de comunicação e organização com o setor de manutenção de empilhadeiras, que é terceirizado, os pinos que sofreram as fraturas foram descartados e as amostras de corrente que foram cedidas para a realização deste trabalho já não possuíam mais os pinos que falharam, o que dificultou o trabalho de análise, além disso dentre as oito falhas que ocorreram apenas duas correntes foram armazenadas e disponibilizadas para este estudo, ou seja, há também um fator de limitação quanto ao número de amostras das correntes. O manual das empilhadeiras contém o plano de manutenção preventiva para as mesmas, que deve ser executado a cada quinhentas horas de uso, onde está incluso a verificação do desgaste e lubrificação das correntes do sistema principal de elevação, além de instruções para os outros componentes das empilhadeiras. Segundo relatório da empresa que presta o serviço de manutenção, o plano de manutenção das máquinas é seguido e nenhuma corrente apresentou sinas de necessidade de troca. O primeiro passo realizado foi a medição do comprimento das duas correntes que foram fornecidas, refletindo assim o nível de desgaste existente nos pinos e nos elos. As medições foram realizadas de acordo com o manual da máquina, que especifica que as 11 medidas devem ser tomadas com as correntes esticadas, porém não tensionadas e que a medida deve ser executada em um intervalo de vinte passos da corrente. As amostras foram mensuradas de maneira subsequente por toda sua extensão. Ainda de acordo com o manual, a corrente nova deve possuir 381 milímetros de comprimento entre vinte passos, sendo o comprimento de um passo de 19,05 milímetros e o alongamento máximo permitido é de aproximadamente 2%, o que reflete em um comprimento máximo de aproximadamente 389 milímetros para os mesmos vinte passos. Após as medições de comprimento as correntes foram separadas em amostras menores, com comprimento de cinco passos como especifica a norma ISO 4347 para o ensaio de tração das correntes do tipo leaf. Para deixar as amostras com comprimento adequado lixou-se a cabeça do pino e o mesmo foi retirado cuidadosamente para fora da corrente. Todas as amostras foram lavadas com querosene e secadas com ar comprimido, para que o lubrificante ainda presente nas mesmas fosse retirado. O manuseio das amostras foi realizado com cuidado a fim de não gerar nenhum tipo de dano ou impacto que viesse a comprometer as mesmas. Com as amostras limpas, elas foram identificadas e o comprimento de cada uma foi medido, mesurando também a altura das placas, ou elos, de cada uma, com o intuito de verificar se este fator teve alguma influência na falha e também se existe uma relação do desgaste na altura das placas com o alongamento longitudinal das amostras. O manual especifica que a altura nominal das placas é de 17,8 milímetros podendo chegar a um valor mínimo de 16,9 milímetros. Também foi preparada uma quantidade de material como amostra para se realizar ensaio de dureza Rockwell e também análise metalográfica, buscando assim reunir o máximo de informações possíveis com relação ao material das correntes. Por fim, as amostras foram submetidas ao ensaio de tração conforme as especificações da norma ISO 4347, que foram indicadas no capítulo 2, item 2.5 deste trabalho, com o intuido de verificar se as correntes mesmo desgastadas ainda atendem aos requisitos da norma. 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES A empresa que realiza manutenção nas empilhadeiras apresentou um relatório afirmando que o valor máximo de comprimento encontrado nas manutenções preventivas, realizadas anteriormente a falha, foi de aproximadamente 384 mm, não apresentando assim necessidade de troca. 12 Para a verificação do alongamento, as medições de comprimento das correntes foram realizadas conforme indicado no item 3 deste trabalho e são mostradas nas tabelas 1 e 2. As amostras de corrente A e B apresentavam um comprimento total de aproximadamente 2 metros e 4,3 metros, respectivamente. Tabela 1 – Comprimento entre vinte passos da corrente A. Tabela de alongamento corrente A Comprimento entre 20 passos (mm) Porcentagem de alongamento (%) Comp. 1 389 2,0997 Comp. 2 388,2 1,8898 Comp. 3 388,4 1,9423 Comp. 4 388 1,8373 Comp. 5 384,4 0,8924 Média 387,6 1,7323 Fonte os autores. Tabela 2 – Comprimento entre vinte passos da corrente B. Tabela de alongamento corrente B Comprimento entre 20 passos (mm) Porcentagem de alongamento (%) Comp. 1 388,7 2,0210 Comp. 2 391,8 2,8346 Comp. 3 388,7 2,0210 Comp. 4 385,7 1,2336 Comp. 5 391 2,6247 Comp. 6 393 3,1496 Comp. 7 391 2,6247 Comp. 8 389,4 2,2047 Comp. 9 389 2,0997 Comp. 10 387,8 1,7848 Comp. 11 388,5 1,9685 Média: 389,5091 2,2334 Fonte os autores. Analisando os dados apresentados nas tabelas, pôde-se observar de primeira mão que não é suficiente realizar uma única medição, já que as correntes apresentaram comprimentos diferentes ao longo de sua extensão. Os valores encontrados para a corrente A ficaram em média, dentro do valor permitido para operação da corrente, porém mesmo que em apenas um determinado intervalo de sua extensão, esta amostra apresentou o comprimento de 389 mm, o que torna sua troca necessária. Deve-se levar em consideração também que os demais valores mensurados ficaram próximos ao máximo valor permitido, fato este que chama a atenção para uma troca eminente do componente. 13 Observando a segunda tabela, nota-se que os valores de comprimento estão bastante elevados por toda sua extensão, diferente do primeiro caso, esta não possui apenas um valor acima do permitido, no entanto vários, o que resulta em uma média de alongamento acima do limite máximo. Com base nestes dados pode-se afirmar que as duas correntes deveriam ter sido trocadas devido possuírem um elevado nível de desgaste. Para as análises subsequentes, as correntes foram divididas em amostras menores para a realização do teste de tração, conforme explicado no item 3 deste trabalho. As correntes aparentavam possuir todos os pinos em perfeito estado, todavia durantea desmontagem das mesmas, observou-se que havia pinos quebrados em meio as correntes, que apenas permaneciam em seus locais corretos devido a estrutura da corrente em si, estes pinos foram analisados posteriormente. As amostras menores das correntes A e B, foram lavadas com querosene e identificadas. Com as amostras limpas pôde-se observar a superfície do material com maior precisão e foi identificado uma grande quantidade de pites de corrosão existentes tanto nos elos quanto nos pinos, porém concentrando-se em sua maior quantidade nos pinos e em regiões específicas onde se localiza a folga entre um elo e outro sobre o pino, como pode ser observado nas Fotografias 1, 2 e 3 é visível também o elevado desgaste presente nos pinos, como mostra a Fotografia 4. Fotografia 1 – Pites nos elos. . Fonte os autores. Fotografia 2 – Pites nos pinos. Fonte os autores. Fotografia 3 – Pites na folga entre os elos. Fonte os autores. Fotografia 4 – Desgaste no pino. Fonte os autores. Pites Pites Pites Desgaste 14 Foram preparadas 12 amostras de cada corrente com comprimento de 5 passos cada uma, o comprimento das amostras e a altura das placas foram mensurados para verificar se existe alguma relação entre o desgaste no sentido longitudinal da corrente e o desgaste nas placas oriundo do atrito com as roldanas. O menor valor encontrado para a altura das placas foi de 17,52 mm, o que indica que este não é um fator relevante para a falha em questão. Verificou-se também que não existe uma medida padrão para a fabricação dos elos, ou o limite de tolerância é elevado, certas placas apresentavam desgaste visível porém medida acima do especificado pelo manual, enquanto outras não apresentavam desgaste visível, mas possuíam espessuras menores, todavia como já mencionado, nenhuma amostra apresentou espessura sequer próximo dos valores do limite mínimo. Portanto não foi possível traçar uma relação entre o desgaste longitudinal da corrente e o desgaste nas extremidades das placas, então este fator foi desconsiderado. Buscando mais informações sobre o material das correntes, foi realizado ensaio de dureza Rockwell tanto nas placas como nos pinos, a média dos ensaio realizados nas placas foi de 45 HRC enquanto que os pinos apresentaram em média uma dureza de 55 HRC, logo podemos observar que são materiais relativamente duros. Como os relatos de falha indicam que foi o pino que fraturou e também como é no pino que se apresenta o maior desgaste, nos ensaios subsequentes deu-se um destaque maior à análise do pino, buscando ainda reunir mais informações sobre a microestrutura e também a composição química do material, foi realizado microscopia ótica em amostras de pino, após foi realizado tratamento térmico de recozimento nas amostras e realizou-se novamente a microscopia ótica, as microestruturas observadas são demonstradas nas Fotografias 5, 6 e 7. Fotografia 5 – Microscopia ótica pino ampliado 100 vezes, ataque nital 4%. Fonte os autores. Fotografia 6 – Microscopia ótica pino ampliado 400 vezes, ataque nital 4%. Fonte os autores. 15 Por meio das Fotografias 5 e 6 é possível identificar que o material é temperado e apresenta microestrutura com matriz perlítica, apresentando também martensita grosseira. Fotografia 7 – Microscopia ótica pino recozido ampliando 100 vezes, ataque nital 4%. Fonte os autores. A Fotografia 7 apresenta a microestrutura do pino recozido, podendo-se observar a presença de perlita e um pouco de ferrita proeutetoide, indicando que é uma liga de aço hipoeutética contendo médio teor de carbono. As condições de dureza e microestrutura encontradas no material estão coerentes com o tipo de carga aplicada e com as condições de trabalho da corrente. Para os pinos que foram encontrados já quebrados em meio a corrente foi realizado macrografia, em busca de determinar a causa da falha, as fotografias 8 e 9 demonstram a macroestrutura da falha de dois dos pinos. A macrografia para a análise de falhas deve ser realizada em um curto período de tempo após a falha, sendo ideal que a superfície da fratura não sofra nenhum tipo de alteração, quanto mais tempo a fratura ficar exposta a agentes externos, torna-se cada vez mais difícil se observar as marcas que indicam as causas da falha. É impossível determinar a quanto tempo os pinos quebrados ficaram em meio a corrente, isso foi um fator que prejudicou a análise, tornado mais difícil a visualização das marcas existentes na superfície da fratura. 16 Fotografia 8 – Macrografia de falha do pino, ampliado 2 vezes sem ataque. Fonte os autores. Fotografia 9 – Macrografia de falha do pino, ampliado 2 vezes sem ataque. Fonte os autores. As Fotografias 8 e 9 mostram as marcas de sargento na superfície da fratura, apontando para os pites de corrosão, evidenciando assim que o início da trinca se deu nos pites, as marcas de praia presentes no material indicam que a trinca se propagou por fadiga até atingir um limite máximo, onde ouve a fratura final. Outro ponto que deve ser levado em consideração é o lubrificante utilizado no sistema, o manual da máquina indica o lubrificante Klüberoil 4 UH1 N ou similares, que é um óleo sintético, apresentando viscosidade cinemática de aproximadamente 68 mm²/s em temperatura de 40°C. Entretanto é utilizado o lubrificante Wurth HHS 2000, sendo este uma graxa líquida sintética, apresentando viscosidade cinemática de aproximadamente 146 mm²/s em temperatura de 40°C. Os dois lubrificantes suportam a faixa de temperatura à qual a corrente está exposta em seu regime de trabalho, todavia eles apresentam valores diferentes de viscosidade cinemática. Fluidos lubrificantes que apresentam viscosidades mais elevadas suportam uma carga maior de operação, entretanto isso dificulta sua penetração em folgas menores que possam existir entre os componentes. Quanto aos testes de tração realizados nas amostras de corrente, os mesmos não puderam ser concluídos devido ao rompimento do pino do suporte que prende a amostra na máquina de tração ao invés da própria amostra. As duas amostras que apresentavam maior nível de desgaste foram submetidas a este ensaio, porém, nos dois casos, a amostra não rompeu e sim, o pino fabricado para prender a amostra na máquina. Todavia as duas amostras suportaram uma carga estática maior do que a especificada pela norma ISO 4347. Marcas de praia Pites Marcas de sargento Marcas de praia 17 CONCLUSÃO Diante da situação problema apresentada e com base nos dados encontrados, mostrados no capítulo 4 deste trabalho, é possível perceber que as duas amostras de correntes cedidas para este estudo, deveriam ter sido substituídas de maneira preventiva devido apresentarem um elevado nível de desgaste, evitando assim a falha destes componentes. Como a troca não ocorreu e a última medição do alongamento destas correntes, realizada pelo setor de manutenção, não identificou a necessidade de troca, é possível que a medição do alongamento esteja sendo efetuada de maneira incorreta dentro da empresa. Observando as Tabelas 1 e 2 apresentadas no capítulo 4, percebemos que não é suficiente realizar uma única medição na corrente, sendo necessário medir vários pontos para se ter certeza de que a mesma não apresenta um desgaste elevado em regiões pontuais. Devido a discrepância de valores de comprimento das correntes encontrados pelo setor de manutenção com relação aos encontrados neste trabalho, justifica-se uma verificação do método utilizado pelos mantenedores para a mensuração do alongamento das correntes. O nível dedesgaste encontrado na altura das placas foi baixo, não influenciando assim na falha. Analisando mais profundamente os pinos, a microscopia ótica revelou que o material dos pinos é uma liga de aço hipoeutetoide com médio teor de carbono e temperado, possuindo microestrutura com matriz perlítica e apresentando também martensita grosseira, fato este que condiz com os valores de dureza encontrados nas amostras e é adequando para o regime de trabalho para qual o componente foi projetado. Não é possível perceber falhas no material ou presença indesejada de elementos de liga, indicando que o material utilizado para a fabricação das correntes é adequado. Em relação a lubrificação das correntes, nota-se que o lubrificante utilizado não é o mesmo indicado pelo fabricante da máquina e possui características diferentes como uma maior viscosidade cinemática, o que pode dificultar o envolvimento total da corrente pela película protetora de lubrificante, desta maneira deixando certos pontos expostos ao meio externo, facilitando assim a formação de pites de corrosão. Quanto aos testes de tração, apesar dos mesmos não terem atingido o resultado final, mostram que mesmo as amostras com elevados níveis de desgaste ainda atendem às especificações da norma ISO 4347 quanto a força estática suportada. Analisando os pinos que já estavam quebrados em meio a corrente, a macrografia realizada nos mesmos mostra marcas de sargento e marcas de praia, indicando assim que a trinca se iniciou nos pites de corrosão e se propagou por fadiga até a ruptura do pino. A trica 18 se propagou por uma grande região na sessão transversal do pino, o que evidencia que a carga aplicada sobre o mesmo não era elevada, descartando assim a hipótese de sobrecarga. Os dados encontrados indicam fortemente que os pinos analisados na macrografia falharam devido à corrosão associada à fadiga, onde os pites de corrosão agiram como pontos concentradores de tensão propiciando a formação da trinca, que por sua vez se propagou lentamente em virtude das cargas dinâmicas às quais o componente foi submetido. Em razão da similaridade entre os relatos das falhas que ocorreram na empresa e dos pinos que estavam quebrados em meio a corrente e também justamente por serem do mesmo componente, supõe- se que a causa da falha tenha sido a mesma para ambos os casos. Porém, para uma conclusão mais precisa se faz necessária uma análise mais profunda com equipamentos como o microscópio de varredura eletrônica. Diante destes fatos é recomendado que os mecânicos responsáveis pela manutenção nas empilhadeiras passem por treinamentos voltados para o controle de desgaste das correntes, abordando métodos padrões para a medição do seu comprimento, enfatizando a necessidade de se realizar mais que uma medição e em locais diferentes na mesma corrente, explicando também a maneira correta de se utilizar o equipamento de medição. Indica-se também a utilização do lubrificante recomendado no manual da máquina para garantir que o mesmo penetre em todos os pontos da corrente, amenizando assim os problemas com pites de corrosão. Quando as correntes forem novamente lubrificadas, as mesmas devem ser lavadas para retirar partículas abrasivas que podem estar presentes no lubrificante a ser trocado. Recomendável também, que ocorra um controle visual da quantidade de pites presente na corrente, se a troca do lubrificante e o treinamento não eliminarem o problema, mais estudos deverão ser realizados em relação a estas questões. REFERÊNCIA CALLISTER, William; RETHWISCH, David. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8 ed. Rio De Janeiro: LTC, 2013. CHIAVERINI, Vicente. Aços e ferros fundidos. 7 ed. São Paulo: Estúdio JI de Artes Gráficas S/C Ltda, 2008. COLPAERT, Hubertus. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns . 4 ed. São Paulo: Edgard Blucher, 2008. FONTANA, G. Mars. Corrosion engineering. 3 ed. New York: McGraw-Hill, 1987. GARCIA, Amauri; SPIM, Jaime Alvares; SANTOS, Carlos Alexandre. Ensaios dos materiais. Rio De Janeiro: LTC, 1999. 19 GENTIL, Vicente. Corrosão. 6 ed. Rio De Janeiro: LTC, 2012. ISO; ISO 4347 Leaf chains, clevises and sheaves – Dimensions, measuring forces and tensile strengths. 4 ed., 2004. KARDEC, Alan; NASCIF, Júlio. Manutenção – Função estratégica. 4 ed. Rio De Janeiro: Qualitymark Editora, 2015. PICON, Carlos Alberto; FERNANDES, Frederico Augusto Pires; RODRIGUES, Cesar Augusto D.; TREMILIOSI-FILHO, Germano; CASTELETTI, Luiz Carlos. Estudo do mecanismo de corrosão por pites em água do mar de aços inoxidáveis supermartensíticos microligados com Nb e Ti. Ouro Preto: Revista Escola de Minas, 2010. SHIGLEY, Joseph Edward. Elementos de máquina. 3 ed. Rio De Janeiro: LTC, 1984. SILVA, André Luiz V. da Costa; MEI, Paulo Roberto. Aços e ligas especiais. 3 ed. São Paulo: Blucher, 2010. TOYOTA; Manual de manutenção empilhadeira RRE 160 CC, 2013.
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