TIG VII GRUPO 3 ENSAIO DE DUREZA NA FACE DE UM PISTÃO DE IMPACTO PARA AUMENTO DA VIDA ÚTIL

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e-xacta, Belo Horizonte, Vol. X, N.º Y, p. aa-bb. (ano). Editora UniBH. 
Disponível em: www.unibh.br/revistas/exacta/ 
ENSAIO DE DUREZA NA FACE DE UM PISTÃO DE IMPACTO PARA AUMENTO DA VIDA ÚTIL 
 
Bruno Lotti Rocha Carvalho1; Cristian Rios de Oliveira2; David Rafael Gomes de Jesus3; 
Felipe Barbosa Santos4; Fellipe Augusto de Oliveira5; Hiago José Cruz Lara6; Luiz 
Afonso da Silva Santos7; Marcelo de Souza Abreu8; Marco Antônio Freire e Silva9; 
Wanderley Rodrigues Júnior10; 
Marco Aurélio Mendes Justino11; (orientador). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 Graduando de Engenharia Mecânica pelo centro 
universitário de Belo Horizonte – UNIBH, 2017 – Belo 
Horizonte, MG. Bruno_lotti_rc@hotmail.com 
 
2 Graduando de Engenharia Mecânica pelo centro 
universitário de Belo Horizonte – UNIBH, 2017 – Belo 
Horizonte, MG. cristianrios.eng.mec@gmail.com 
 
3 Graduando de Engenharia Mecânica pelo centro 
universitário de Belo Horizonte – UNIBH, 2017 – Belo 
Horizonte, MG. davidrafael84@gmail.com 
 
4 Graduando de Engenharia Mecânica pelo centro 
universitário de Belo Horizonte – UNIBH, 2017 – Belo 
Horizonte, MG. feengmec@hotmail.com 
 
5 Graduando de Engenharia Mecânica pelo centro 
universitário de Belo Horizonte – UNIBH, 2017 – Belo 
Horizonte, MG. fellipeoliveir@hotmail.com 
 
6 Graduando de Engenharia Mecânica pelo centro 
universitário de Belo Horizonte – UNIBH, 2017 – Belo 
Horizonte, MG. hiago.lara@net.com.br 
 
7 Graduando de Engenharia Mecânica pelo centro 
universitário de Belo Horizonte – UNIBH, 2017 – Belo 
Horizonte, MG. luizafonso02@hotmail.com 
 
8 Graduando de Engenharia Mecânica pelo centro 
universitário de Belo Horizonte – UNIBH, 2017 – Belo 
Horizonte, MG. marcelosouzaabreu@hotmail.com 
 
9 Graduando de Engenharia Mecânica pelo centro 
universitário de Belo Horizonte – UNIBH, 2017 – Belo 
Horizonte, MG. marcosilva1301@gmail.com 
 
10 Graduando de Engenharia Mecânica pelo centro 
universitário de Belo Horizonte – UNIBH, 2017 – Belo 
Horizonte, MG. wanderleyroll@yahoo.com.br 
 
11 Mestre em Ciências em Engenharia Mecânica. Pontifícia 
Universidade Católica de Minas Gerais, 2012. Professor do 
Centro Universitário de Belo Horizonte - UniBH. Belo 
Horizonte, MG. marco.justino@prof.unibh.br. 
2 
2 
 
 
RESUMO: A mineração surgiu no Brasil após a colonização Portuguesa, dentro dos tipos de minas existem as minas 
a céu aberto e minas subterrâneas. Nas minas subterrâneas há a necessidade da utilização de perfuratrizes 
hidráulicas, as mesmas são equipadas com um pistão de impacto o qual se faz presente um tratamento superficial. 
Visando uma redução de custos através do aumento da vida útil, foi abordada uma tentativa de reutilização da peça 
por meio do desbastamento da área danificada devido a fraturas e micro trincas. Através do teste de dureza Vickers 
foi analisado vários pontos em diferentes camadas da face da peça, visando assim determinar um limite de máximo 
de desbaste que a peça suportaria sem perder sua eficácia. 
Palavras-chave: mineração, perfuratrizes, hidráulicas, pistão, impacto, custos, tratamento, fratura, limite, eficácia. 
 
ABSTRACT: The mining occurred in Brazil after the Portuguese colonization, within the types of mines there are open 
pit mines and underground mines. In the underground mines there is a need for the use of hydraulic drills, they are 
equipped with an impact piston which is present a surface treatment. In order to reduce costs by increasing the useful 
life, an attempt was made to reuse the part by chopping the damaged area due to fractures and micro cracks. Through 
the Vickers hardness test, several points were analyzed in different layers of the face of the part, in order to determine 
a maximum limit of thinning that the part would support without losing its effectiveness. 
Keywords: mining, drilling, hydraulic, piston, impact, costs, treatment, fracture, limit, effectiveness. 
___________________________________________________________________________________________ 
 
1. INTRODUÇÃO 
No Brasil, os primeiros registros de mineração, 
remontam ao século XVI, logo após a colonização 
portuguesa, e entre os primeiros minérios extraídos no 
território brasileiro, pode-se destacar o ouro, o 
diamante, a prata e o ferro. 
“Mineração é o ato de extrair substâncias das 
rochas e do solo e está atividade, é 
extremamente importante para o 
desenvolvimento das sociedades, tem estado 
presente em todo o mundo há milênios”. 
(FIGUEIREDO, 2011) 
 
Existem minas a céu aberto e subterrâneas. A mina 
subterrânea é aplicável para depósitos que ocorrem 
com profundidade, em rochas duras ou brandas, bem 
consolidadas. Muitas minas antigas eram subterrâneas 
porque não se disponibilizava de equipamentos de alta 
tecnologia e produção para retirada das coberturas de 
estéril passaram a ser à céu aberto. 
 
Figura 1 - Mina subterrânea. (Fonte: FERRO, Geologia de 
Lavras e tratamento de minério. Métodos de Lavra) 
Na mina subterrânea o minério precisa ser muito bem 
delimitado e suas características necessitam de alta 
precisão definidas por sondagens, galerias e a 
acessibilidade é normalmente feita por túneis, rampas 
ou poços. 
A mina de céu aberto é aplicada nos depósitos rasos 
ou espessos que ocorrem na superfície e que podem 
ser lavrados até a profundidades econômicas. As minas 
a céu aberto são muito mais comuns do que as minas 
subterrâneas. 
 
Figura 2 - Mina a céu aberto. (Fonte: FERRO, Geologia de 
Lavras e tratamento de minério. Métodos de Lavra) 
São trabalhados a céu aberto todos os materiais 
relacionados na construção civil e as rochas 
ornamentais. Podem ser trabalhados diretamente como 
os minérios de ferro e o manganês. 
 
3 
 
1.1 RISCOS DE SE TRABALHAR EM UMA MINA 
SUBTERRÂNEA 
Faria (2008) diz que no trabalho realizado nas minas, 
existem diversos fatores prejudiciais à saúde do 
trabalhador, tais como: o grande esforço físico, alta 
exposição de ruídos, inalação de poeira, calor 
excessivo, baixas temperaturas, explosões, tremores 
de terra, gases nocivos e ventilação inadequada. Além 
de acidentes fatais, como por exemplo, desabamentos. 
“Para tentar amenizar os riscos os mineiros 
dispõem de diversos equipamentos de 
segurança, e também foram criados a partir do 
século XX programas nacionais de intervenção 
para o enfrentamento desse problema, se 
baseiam, em geral, em modelos de vigilância 
da saúde e da segurança, aplicados com 
diferentes estratégias, como inspeções, 
penalidades e treinamento pessoal, visando 
promover o aprimoramento do desempenho 
das empresas na prática de proteção dos 
trabalhadores”. (IBRAM, 2017) 
 
A exploração em uma mina subterrânea passa por 
vários processos como: sondagem, análises 
laboratoriais de amostras, perfuração, injeção de 
explosivos, explosões, abatimentos de chocos, 
contenção de teto, etc. (FARIA, 2008) 
1.2 NECESSIDADE DA SUSTENTAÇÃO DE MINAS 
SUBTERRÂNEAS 
Figueiredo (2011) utiliza a definição de que, para o 
trabalho no subsolo, é necessário criar uma escavação 
aberta, um vazio. Isso cria fatores de risco na 
mineração subterrânea. Um dos riscos que se 
enfrentam é a eventual instabilidade da rocha ao redor. 
Os principais métodos que são usados para prevenir 
quedas de rochas é a fixação do maciço rochoso com 
tirantes, telas ou concreto projetado. 
“As rochas nas minas podem ser fortes e duras 
em alguns lugares e, fracas e frágeis em 
outros. A rocha “boa” pode ser cinco vezes 
mais resistente que o concreto usado nos 
alicerces de casas ou prédios. A rocha “fraca” 
terá apenas uma fração da resistência do 
concreto”.(FIGUEIREDO, 2011) 
 
1.3 UTILIZAÇÃO DE PERFURATRIZES 
HIDRÁULICAS 
Para perfuração de rochas, utiliza-se perfuratrizes 
hidráulicas, acopladas em maquinas conhecidas como: 
Jumbo e Fandril. Na Figura 3 mostra-se uma imagem 
da perfuratriz Jumbo. 
 
 
Figura 3 - Jumbo perfuratriz (Fonte: Elaborada pelo autor) 
A perfuratriz hidráulica possui uma peça interna móvel 
de impacto com tratamento superficial de cementação. 
Giordani (2012) Define a cementação como um 
tratamento termoquímico utilizados em aço de baixo 
carbono, que tem como objetivo aumentar a quantidade 
desse elemento através da exposição a um ambiente 
apropriado com determinado potencial de carbono, 
ocasionando sua absorção na superfície do metal”. 
De acordo com Leitão et al (2012), a cementação é 
largamente utilizada para a fabricação de componentes 
que necessitam de alta dureza superficial e de grande 
resistência ao desgaste, como pinhões, engrenagens e 
eixos. 
Com o decorrer do uso surge micro trincas na face de 
impacto da peça. Por ser uma peça de alto custo, 
algumas empresas do ramo usinam o mínimo da 
superfície de impacto para remover as micro trincas e 
 
4 
 
aumentar a vida útil da peça. Porém existe o risco de 
passar do limite da cementação e inutilizar a peça. 
“Com esse processo de perfuração, existe uma 
constante evolução de equipamentos e 
ferramentas de trabalho para que se tenha 
elevada produtividade”. (COELHO, 2009) 
 
2. PROBLEMA 
Na perfuração de rochas é utilizado uma perfuratriz 
hidráulica (Figura 4), o mesmo possui uma peça interna 
móvel de impacto com tratamento superficial de 
cementação (Figura 5) e com o decorrer do uso surge 
micro trincas na face de impacto da peça. 
“A tecnologia de perfuração usando 
perfuratrizes hidráulicas, é baseada na 
substituição dos acionamentos pneumáticos 
por acionamentos hidráulicos dos principais 
componentes, como: Giro da Ferramenta, 
Martelo de Impacto, Martelo de Reverso e 
Motor de Avanço/Retorno por componentes de 
acionamentos hidráulicos”. (ANDRADE, 2012) 
 
 
Figura 4 - Perfuratriz hidráulica (Fonte: Elaborada pelo autor) 
Por ser uma peça de alto custo, algumas empresas do 
ramo usinam o mínimo da superfície de impacto para 
remover as micro trincas e aumentar a vida útil da peça. 
Porém existe o risco de passar do limite da cementação 
e inutilizar a peça. 
 
 
Figura 5 – Pistão de Impacto (Fonte: Elaborada pelo autor) 
Diante dessas informações esse trabalho propõe 
identificar o limite de usinagem na face do pistão para 
manter o máximo do tratamento superficial. 
2.1 CONTEXTUALIZAÇÃO DO PROBLEMA 
De acordo com o problema, é necessário um 
planejamento de como usinar a peça de modo que será 
aproveitado ao máximo o seu limite de cementação. 
3. OBJETIVO GERAL 
É proposto neste estudo o ensaio destrutivo de dureza 
em um eixo sementado visando descobrir o limite da 
profundidade da cementação na superfície do material 
para uma possível usinagem da face do eixo, sem uma 
perda significativa do desempenho do tratamento e 
consequentemente em sua resistência a impactos. 
Realização de ensaio de dureza na face de um pistão 
de ensaio, com a finalidade de analisar o limite do 
tratamento de cementação, visando aumento da vida 
útil, devido ao alto custo do pistão. 
4. JUSTIFICATIVA 
O ensaio é realizado com o intuito de redução de 
gastos, levando em consideração o alto valor do pistão 
e que o mesmo, após sofrer uma fratura em sua face, 
era inutilizado sendo necessário a aquisição de uma 
nova peça. 
 
 
 
5 
 
5. ENSAIO DE DUREZA VICKERS 
CHICOT, D. (2006) define a dureza de um material 
como a resistência a deformação plástica de um 
material quando um identador é aplicado sobre ele. O 
princípio geral da identação consiste em aplicar uma 
carga conhecida e padronizada sobre a superfície lisa 
de um material e posteriormente medir a deformação 
plástica residual. Várias são as técnicas de medição de 
dureza, entre as quais podem ser destacadas as 
escalas Rockwell, Brinell e Vickers (que será utilizado 
em nosso estudo) como mostra a Figura 6. 
 
Figura 6 – Durômetro (Fonte: Elaborada pelo autor) 
 
No ensaio de dureza Vickers, o identador é uma 
pirâmide de base quadrada, que registra na superfície 
da peça uma marca losangular, com ângulo de 136º 
entre dois vértices opostos. Posteriormente, relaciona-
se a carga aplicada com o tamanho da impressão, tal 
qual a escala Brinell. 
 O valor de dureza Vickers (HV) é o quociente da carga 
aplicada (F) pela área de impressão (A) deixada no 
corpo ensaiado. Essa relação, expressa em linguagem 
matemática é a seguinte: 
 
A máquina que faz o ensaio Vickers não fornece o valor 
da área de impressão da pirâmide, mas permite obter, 
por meio de um microscópio acoplado, as medidas das 
diagonais (d1 e d2) formadas pelos vértices opostos da 
base da pirâmide. 
 
Figura 7 – Área de impressão da pirâmide por meio de um 
microscópio acoplado. 
Conhecendo as medidas das diagonais, é possível 
calcular a área da pirâmide de base quadrada (A), 
utilizando a fórmula: 
 
Voltando à fórmula para cálculo da HV, e substituindo 
A pela fórmula acima, temos: 
 
 
É apontado como a escala mais completa, devido a sua 
abrangência ser a maior entre todas as escalas de 
dureza, além de permitir resultados em escala contínua 
e grande precisão na determinação dos resultados. A 
figura 7 ilustra uma identação na face do pistão de 
impacto originada de ensaio de dureza Vickers. 
 
Figura 8 – Identação em face de pistão de impacto 
(Fonte: Elaborada pelo autor) 
 
6 
 
6. METODOLOGIA 
Este trabalho se realiza como um estudo experimental, 
destinando-se a desenvolver, e mostrar conceitos e 
ensaios, planejando a melhoria de um modelo real. 
(GIL, 2008). 
Segundo (SODRÉ, 2007, pg.6), existem dois tipos de 
abordagens para o modelo de pesquisa, são eles o 
modelo mecanístico e modelo empírico. O modelo 
mecanístico é mais bem utilizado para o entendimento 
de um mecanismo, uma vez que este modelo pode ser 
construído com base no sistema da estrutura. Já o 
modelo empírico utiliza-se de hipóteses e suposição 
inteligente do pesquisador, sem fazer estruturação do 
sistema, ou seja, consiste em ver os dados 
experimentais através de análises do sistema como um 
todo. 
É realizado um passo a passo para a realização do 
processo de verificação do pistão para verificar a 
capacidade de dureza e resistência do material como 
mostra a seguir: 
• Capitar o pistão de impacto danificado em 
campo. 
• Realizar a usinagem com passe de 0,5mm em 
casa fase do teste, escalonamento com 
variação de 0,5mm e polimento manual com 
massa de polir na face do pistão. 
• Verificação visual de possíveis trincas. 
• Realização de um ensaio de dureza na face do 
pistão de impacto. 
• Utilizado o método de ensaio de dureza 
Vickers. 
• Será feito esse caminho até que o teste acuse 
que a dureza do material foi prejudicada, ou 
seja, reduzida. 
• Após os testes realizados, comparar os 
resultados e assim definir qual o ponto máximo 
que pode ser usinada a peça sem que interfira 
no processo de dureza. 
Realiza-se a usinagem, escalonamento e polimento na 
face do pistão que apresenta a trinca. Foram feitos 6 
passes de 0,5mm (cada) para realização do processo 
de verificação de capacidade de dureza e resistência 
do material. 
Ao fim do processo de usinagem, foram selecionadas 
áreas (aleatórias) para realização do processo de 
dureza vickers. 
Os diversos pontos foram submetidos a ensaio de 
microdurezaem escala Vickers, com carga de 200g e 
tempo de 30 segundos, utilizando o equipamento 
ilustrado na figura 6. Cada amostra foi caracterizada 
por 10 pontos de microdureza, ao longo da secção 
transversal da peça. 
 
7. RESULTADOS E DISCUSSÕES 
Após medição da dureza em escala Vickers, chegou-se 
aos resultados indicados nas tabelas através de média 
aritmética de 6 pontos de dureza distribuídos ao longo 
do perfil das amostras. Foi realizado a média aritmética 
da dureza em cada nível de ensaio e o desvio padrão 
os respectivos níveis como mostra a tabela a seguir. 
 
 
 
Tabela 1 - Representação dos níveis de usinagem na face 
do pistão, média das durezas apresentadas durante o 
ensaio e desvio padrão. 
Cálculo da incerteza (Exemplo): 
 
 
7 
 
Resultado das Medições: 
RM=RB ± IM 
(Resultado Med.) = Resultado Base ± Incerteza 
Analisando a tabela, pode-se notar o aumento da 
dureza no nível 3 a 1,5mm da face do pistão e a 
diminuição nos demais níveis do pistão. 
A microestrutura do pistão apresenta uma dureza de 
779,83HV no primeiro nível, uma diminuição de 4,76% 
em sua dureza no segundo nível, um aumento de 
3,74% no terceiro nível, diminuição de 7,41% no quarto 
nível, diminuição de 7,33% no quinto nível e diminuição 
de 3,95% em sua dureza no ultimo nível de usinagem. 
Esta diminuição de dureza ocorre pelo desgaste do 
material em sua face ao longo do trabalho, que foi 
caracterizada pela usinagem e logo após foi feita a 
realização do teste de dureza. 
Podemos perceber também que ocorreu um nível de 
incerteza muito grande que pode ter sido gerado por 
diversos fatores: erro humano, aparelho de medição 
desaferido, superfície da amostra com rugosidade alta, 
entre outros fatores relevantes. 
O gráfico a seguir ilustra a deformação do material 
durante o ensaio de dureza vickers. 
 
 
 
 
 
 
 
 
8. CONCLUSÃO 
 
Através da realização dos ensaios de dureza vickers 
nos diferentes níveis de profundidade da amostra do 
pistão de impacto, foi possível constatar que os 
resultados obtidos ficaram dentro da faixa de incerteza 
de medição. Tais dados evidenciam que o material não 
sofre alteração considerável de dureza ao longo do 
corpo, comprovando que é possível usinar a face sem 
perder desempenho na realização do trabalho, porém 
ainda não se sabe o quanto de material no 
comprimento pode ser retirado sem comprometimento, 
pelo motivo do corpo de prova não ter apresentado 
características de ter recebido apenas tratamento 
superficial. Assim fica para o próximo semestre como 
complemento deste estudo, o acompanhamento da 
máquina perfuratriz em operação para que seja 
identificado novos meios de estudo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
43,5
50
43,544,54142,544
47
41
46464542,543424042
45
0
20
40
60
4
3
4
9
4
3
,5
4
4
,5 4
2
4
0
4
4
4
5
,5
4
3
,5 4
5
4
7
4
3
4
0
4
5
4
5
4
2
4
3
4
5
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DIÂMETRO DIAGONAL 1 (MICROMETRO) 
DEFORMAÇÃO ENSAIO 
DUREZA VICKERS
 
8 
 
9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS 
 
GIORDANI, Tiago. “Avaliação Metalúrgica e 
mecânica de aços cementados e temperados de 
forma convencional e intensiva”. Programa de pós-
graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de 
Materiais. UFRGS 2014 
Internet disponível em: 
<https://periodicos.ifsc.edu.br/index.php/rtc/article/view
File/1385/974> Acesso em 20 de maio de 2017. 
 
BARRETO, Gilmar William. “Projeto de uma 
perfuratriz multifuncional para execução de estacas 
e desenvolvimento de um ensaio de campo que 
utiliza sistema de monitoração eletrônica da 
perfuratriz”. USP 2014 
 
LEITÃO, Cláudio José, MEI, Paulo Roberto. LIBARDI, 
Rodolfo. “Efeitos da cementação e da integração no 
custo e na qualidade de engrenagens produzidas 
com aço ABNT 4140 e 8620”. 2012 
Disponível em: 
<http://tecnologiammm.com.br/doi/10.4322/tmm.2012.
036> Acesso em 10 de Junho de 2017. 
 
CHICOT, D., MERCIER, D., ROUDET, F., SILVA, K., 
STAIA, M. H., LESAJE J. “Comparison of 
instrumented Knoop and Vickers hardness 
measurement on various soft materials and hard 
ceramics.” Journal of the Europe Ceramic Society, 
2006. Disponível em: www.sciencedirect.com 
 
ANDRADE, Leonardo da Cunha. “Implantação de 
perfuratriz hidráulica no alto forno 2 da CST-
ARCELOR BRASIL”. Arcelor Brasil 2012. 
 
FARIA, Mário Parreias. “Fatores intervenientes na 
segurança do trabalho de um abatimento 
mecanizado de rochas instáveis em uma mina 
subterrânea de ouro.” Programa de Pós-graduação 
em saúde Pública – UFMG 2008 
 
FIGUEIREDO, Lucas Boa Ventura, A corrida do Ouro 
no brasil (1697-1810), 2011. 
 
IBRAM–Instituto Brasileiro de Mineração– 2017 
Internet disponível em: 
<www.ibram.org.br/sites/700/784/00001778.pdf> 
 
COELHO, Reginaldo Teixeira – Teoria da usinagem 
dos materiais–São Paulo: Editora Blucher, 2009.p 5 a 
40. 
ISKANDAR, jamil Ibrahim–Normas da ABNT – 
Comentadas para artigos científicos– São Paulo: 
Juruá, 2012.P.52 
COSTA, André Luiz, MEI, Paulo Roberto–Aços e 
ligas especiais– São Paulo: 2010 P.147 a 188 
 
LOPES, Marcos–Técnico em mineração –Mecânica 
das Rocha– Fatores de Risco na mineração. Internet 
disponível em: 
<http://tecnicoemineracao.com.br/mecanica-das-
rochas/> 
ULYSSES SODRÉ. Modelos matemáticos. 2007. 27 f. 
Matemática. UEL Londrina, 2007. Disponível em: 
<http://www.uel.br/projetos/matessencial/superior/pdfs/
modelos.pdf > Acesso em 15 de maio de 2017. 
GIL, Antônio Carlos. Como elaborar projetos de 
pesquisa. 4. ed. São Paulo: Atlas, 2008. 
 
FERRO, Geologia de Lavras e tratamento de 
minério. Métodos de Lavra. Disponível 
em: <https://ge902ferro.wordpress.com/processos/met
odos-de-lavra/>. Acesso em: 10 maio. 2017.