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30/12/2008 11h35

Revestimentos anticorrosivos isentos de cromo hexavalente, aplicados a parafusos na indústria automobilística: avaliação da reusabilidade
Parte I


RESUMO
Neste trabalho foi investigada a possibilidade de reutilização de parafusos com revestimentos a base de lamelas de zinco e alumínio. Foi avaliada uma tecnologia de revestimento, isenta de cromo na forma hexavalente (Cr+6), à base de Zn e Al.

Uma metodologia experimental foi proposta e utilizada para avaliação do comportamento do parafuso quanto aos seguintes itens: torque x força tensora, coeficientes de atrito no filete, na face de apoio e global, rendimento e por último, o estado da superfície a cada vez que o parafuso era retirado. Com base nos resultados obtidos, verificou-se que após a segunda reutilização, o parafuso já não mantém os requisitos quanto ao coeficiente de atrito, força tensora e rendimento desejados e especificados no projeto.
 
1 - INTRODUÇÃO
No mundo globalizado, observa-se a crescente preocupação com a saúde do homem e também com o meio ambiente. O Cromo Hexavalente (Cr+6), foi classificado em 1987 pela IARC – International Agency for Research on Cancer – como carcinogênico. Nos últimos anos, também por razões ecológico ambientais e às exigências de reciclagem de veículos em fim de vida, limitar a utilização do Cr+6 em automóveis tornou-se meta a ser atingida em curto prazo. Em meados de 2003, o Cr+6 deveria ser banido dos revestimentos utilizados em parafusos, porcas e similares, e definitivamente para todos os componentes do veículo a partir de 1 de julho de 2007.
 
Essa forma do cromo é largamente utilizada em revestimentos de peças, como no caso de parafusos. Portanto, os fabricantes de veículos se viram na posição de fazer parcerias com empresas de recobrimento para buscar novas soluções alternativas, em curto prazo. As principais tecnologias de revestimentos atualmente utilizadas em parafusos são os acabamentos metálicos inorgânicos em base aquosa com solventes e a zincagem que apresentam em seus processos/revestimentos a presença do cromo hexavalente.
 
Portanto, para superar tais exigências, novas tecnologias de revestimentos surgiram, eliminando a presença do Cr+6. Promete-se por meio de selantes utilizados no processo de deposição, uma uniformidade do coeficiente de atrito gerado quando do aperto do parafuso, bem como uma elevada resistência à corrosão. Na literatura científica [1, 2, 3 e 4], revestimentos são aplicados a superfícies com diversos objetivos e dependem da situação específica a que se destina o componente. Normalmente, busca-se conciliar propriedades da camada externa, denominada por revestimento, com a de base, denominada por substrato.
 
Na maioria das aplicações em engenharia, busca-se conciliar dureza e resistência ao desgaste, proporcionada pelo material de cobertura, com a tenacidade do substrato. Além dessas, outras podem ser necessárias, como a resistência à corrosão e oxidação, baixa tensão de cisalhamento e conseqüente baixo atrito, que são os objetivos básicos do recobrimento avaliado neste trabalho.
 
A escassa literatura científica sobre a reusabilidade de parafusos foi o principal motivador para a realização deste trabalho. Sobre o assunto existem trabalhos, desenvolvidos para fins específicos e não divulgados ao meio industrial. Procurou-se responder àquela freqüente indagação, no meio automotivo, sobre até quando um parafuso pode ser reutilizado, sem perder as suas características funcionais? Para isso, propôs-se uma metodologia experimental, embasada em literaturas técnicas e normas [5, 6, 7 e 8] e descrita a seguir:
 
2 - PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
A metodologia proposta foi experimental, dividida em etapas e descritas a seguir.
 
2.1. Características do revestimento
Este revestimento é uma dispersão aquosa de flocos de zinco e alumínio e outros agentes químicos específicos, especialmente formulados para proteção de substratos de ferro (aço), alumínio, zinco e outros. Completamente livre de cromo hexavalente, trivalente ou metálico, de quaisquer metais pesados e de substâncias e solventes orgânicos nocivos ou de mau odor. É aplicada por simples imersão e cura, formando um revestimento metálico aderente (livre de resinas orgânicas) de cor cinza prateado. Constitui pela aplicação de duas ou mais camadas do banho e uma ou mais camadas do selante.
 
2.1.1. Propriedades físico-químicas
Viscosidade: 60 a 80 segundos, copo Zahn nº 2 à 22 ºC; Densidade: 1,35 ± 0,05 g/cm³ à 22 ºC; Flash Point: > 67 ºC copo fechado; Poder de cobertura: 17 m²/Kg de banho; Consumo do banho: 60 g/m² ; Peso da camada: mínimo de 20 g/m² na cobertura de base (base coat) e mínimo de 4 g/m² na cobertura externa (top coat).
 
2.1.2. Método de aplicação do revestimento preparação da superfície
A resistência à corrosão promovida pelo revestimento depende da limpeza e da natureza da superfície a ser revestida. Sujeiras normais e óleos podem ser removidos com desengraxantes alcalinos ou a vapor. Crostas, cracas e outros materiais sólidos deverão ser removidos por meios mecânicos, como por exemplo, a limpeza abrasiva. A decapagem ácida deve ser evitada a fim de se prevenir a fragilização por hidrogênio.
 
Revestimento
O banho é aplicado em pequenas peças em duas ou mais camadas, utilizando-se o processo de imersão/ centrifugação. Peças maiores são tratadas pelo processo de imersão/escorrimento ou Spray.
 
Cura
O filme desta tecnologia é curado utilizando-se qualquer método corrente de ar aquecido que permita atingir uma temperatura do substrato metálico de 300ºC. Quando aplicadas em duas ou mais camadas efetuam-se a cura de cada camada depositada. O tempo de permanência na estufa para atingir o pico de temperatura no substrato irá variar com a massa da peça, carga e eficiência da estufa. O tempo de permanência na temperatura de cura varia de 30 a 35 minutos.
 
2.2. Ensaio de torque x ângulo
Durante o aparafusamento (estado duplo de tensões) o limite de escoamento convencional (estado simples de tensões) é influenciado pela componente torcional, realizou-se o ensaio de torque x ângulo até o colapso dos parafusos, de modo a se obter as forças de escoamento no estado duplo de tensões. Os ensaios foram realizados utilizando o Determinador Torque – Tensão, fabricado pela Metalac, que é um equipamento destinado a ensaios em juntas rigidamente fixadas por meio de célula de carga, sensorizada por extensômetros com conexão a sistema de aquisição de sinais.
 
Neste ensaio são combinadas as grandezas Torque Total (lido por meio da célula de carga) e Ângulo (lido por meio do encoder, que é um dispositivo para medição de ângulo de giro do parafuso) mostrados na tela do microcomputador em tempo real. Este equipamento possui as seguintes funções: Medição de força tensora, torque total, torque na rosca, torque na cabeça, alongamento e ângulo, medição de ângulo por meio de dispositivo externo, cálculo dos coeficientes de atrito na rosca, atrito na cabeça, torque e rendimento. Ele traça, em tempo real, as seguintes curvas: Força x Torque total, Força x Torque na cabeça, Força x Torque na rosca, Força x Alongamento, Força x Ângulo, Torque x Ângulo e Força-Torque x Ângulo. As características técnicas do equipamento são mostradas na Tab. 1.
 
 
 
 
2.2.1. Procedimento de realização dos ensaios
a) Realização de exame visual nos parafusos;
b) Identificação dos parafusos de 1 a 5;
b) Selecionar o Software;
c) Inserir os dados:
 
- d – diâmetro;
- p – passo;
- d2 – diâmetro primitivo;
- d3 – diâmetro do núcleo da rosca;
- dk – diâmetro de assentamento da cabeça do parafuso;
- db – diâmetro de passagem do furo do espaçador;
- lk – comprimento de engastamento;
- 0,2 – tensão de escoamento do parafuso (Estado simples
de tensão).
d) Escolher o tipo de ensaio a realizar – Ensaio Torque x Ângulo;
e) Velocidade de ensaio 5 rpm;
f ) Estabelecer a condição de parada;
g) Montar o parafuso, espaçador e dispositivo tipo cunha sobre a parte frontal da célula de carga. Na parte traseira insira a pinça com a contra peça roscada, e finalmente, faça o aparafusamento manual até que a cabeça do parafuso encoste sobre a superfície de apoio do espaçador;
h) Acoplar o dispositivo de transmissão do torque, não permitindo que o mesmo encoste-se à superfície do espaçador;
i) Iniciar o aperto com plotagem da curva em tempo real. O parafuso é apertado por meio de um momento torcional contínuo, com uma força pré-fixada, atuando dentro da zona elástica do parafuso. Ao atingir esta força o ensaio é interrompido;
j) Após ensaio, retirar o parafuso.
 
 
 
 
Após cada ensaio, os dispositivos (contra peça roscada e espaçador) foram limpos com ar comprimido e macho limpador de roscas. Ao sinal de qualquer dano em quaisquer dos dispositivos, eles eram substituídos por novos com as mesmas características. Nas figuras 1 e 2 mostram-se as fotografias do equipamento, com o sistema montado e na figura 3, são detalhados o parafuso, espaçador e peça roscada.
 
 
 
Figura 1 - Determinador de Torque x Tensão Metalac utilizado nos ensaios
 
 
Figura 2 - Parafuso com o espaçador montado na célula de carga
 
 
Figura 3 - Detalhe da sequência de montagem: 1 - Parafuso, 2 - Espaçador, 3 - Arruela cônica própria do equipamento, 4 - Inserto roscado montado na pinça na parte traseira do dispositivo
 
 
2.3. Análise química do revestimento:
Utilizando-se dos sensores e software específico EDAX do microscópio eletrônico de varredura fabricado pela Philips modelo XL 30, realizou-se análise química do revestimento.
 
2.4. Medição da espessura do revestimento (flanco do filete, face de apoio da cabeça e face sextavada)
As medições foram realizadas utilizando o equipamento CMI Série 900, que é um instrumento dedicado à realização de medidas de espessura de camadas pelo sistema de fluorescência de raios X. O instrumento contém uma baixa energia laser para focalizar a lente de raios X por meio da amostra. O laser é em arsenato de gálio classe II, capacidade menor que 1 μW e operações em modo contínuo (continuous wave).
 
O equipamento é próprio para medições de espessuras de camada pelo método não destrutivo. É capaz de medir espessura de qualquer camada, simples, múltiplas ou ligas, sobre quase qualquer substrato. O instrumento também é capaz de determinar a concentração da solução, composição da liga, e análises de materiais.
 
A medição das espessuras é realizada mediante calibração prévia do instrumento com o padrão do material a ser medido. Na figura 4 mostra-se a fotografia do instrumento. Para o flanco do filete as medidas foram tomadas de modo manual devido limitação do equipamento com relação ao ângulo de incidência do raio X e sua reflexão, na região específica a ser medida (flanco de pressão). Para a face de apoio da cabeça e face sextavada, as medidas foram tomadas de modo automático, através de um sistema de gradeamento de medidas. Não foram verificadas limitações de medição em virtude de ser uma área plana e normal a incidência do laser.
 
 
 
Figura 4 - Equipamento CMI Série 900 utilizado para medições de espessura
 
 
2.5. Levantamento topográfico do revestimento
O equipamento de fluorescência de raios X, CMI Série 900, possui um software específico chamado Surfer® que é um programa gráfico baseado em um sistema de gradeamento que permite visualizar a distribuição das espessuras ao longo de uma seção medida, o que por sua vez, nos dá informações sobre a topografia da superfície.
 
2.6. Fotografias e análises no microscópio eletrônico de varredura
Buscando avaliar e conhecer o revestimento no que diz respeito à sua tipologia, forma, distribuição, estrutura, espessuras e mecanismos de desgaste, foram realizadas fotografias e análises dos mesmos para uma melhor compreensão dos resultados. Foram utilizados os microscópios eletrônico de varredura, fabricado pela empresa Philips modelo XL30 e o ótico fabricado pela Zeiss modelo Neophot 32, mostrados nas figura 5 e 6, respectivamente.
 
Figura 5 - Microscópio eletrônico de varredura Philips XL 30 
 
 
Figura 6 - Microscópio ótico Neophot 32
 
2.7. Ensaios de coeficiente de atrito
Os ensaios foram realizados utilizando o Determinador Torque – Tensão, fabricado pela Metalac, que é um equipamento destinado a ensaios em juntas rigidamente fixadas, através de célula de carga sensorizada por extensômetros com conexão a sistema de aquisição de sinais. Nas figuras 1 e 2, foram mostradas as fotografias do equipamento. Neste ensaio são combinadas as grandezas Força (lida por meio da célula de carga) e Torque Total, Torque na rosca e Torque na cabeça (lidos também por meio da célula de carga, mas utilizando-se de outra ponte resistiva na mesma célula). Os resultados desse ensaio são apresentados na forma de tabela de dados e não curvas X-Y como nos demais ensaios. Os ensaios foram realizados em duas condições de força tensora, 49 kN e 63 kN.
 
O objetivo principal de um parafuso é, a partir de um torque aplicado, gerar uma força suficiente para manter a fixação unida durante o uso. Posto isto, faz-se necessário o estudo do comportamento mecânico de parafusos com estas novas tecnologias em aplicações importantes no veículo, visando atender a requisitos ambientais, melhoria de qualidade, padronização e principalmente o atendimento e manutenção da força tensora nescessária, segundo o projeto.
 
Foi avaliada uma tecnologia de revestimento utilizando jogos de parafusos novos e padronizados. Dos ensaios, foram obtidas a partir das forças tensoras pré determinadas as seguintes grandezas: torque total, torque na rosca, torque na cabeça, coeficiente de atrito na rosca, coeficiente de atrito na cabeça, coefi ciente de torque k, coeficiente de atrito global e rendimento. Isso foi avaliado durante quatro seqüências de aperto e desaperto do parafuso e aliado a isso, as superfícies em contato foram avaliadas no microscópio eletrônico de varredura (MEV) quanto à topografia, forma e composição química, por meio do sistema EDX (Energy Dispersive X-Ray), acoplado ao MEV.
 
3 – RESULTADOS E ANÁLISES
3.1 – Resultados de Torque x Ângulo
Os parafusos apresentaram forças tensoras de escoamento da ordem de 74 kN.
 
3.2 – Resultados de Análise Química
A análise química do revestimento revelou os principais elementos, conforme tabela 2 e figura 7.
 
 
Na tabela 2 e figura 7, observa-se que a composição química do revestimento contém os elementos Al, Si, Fe, Zn, Si e O2. A presença do oxigênio sugere a possibilidade de formação de camada superficial de óxidos. Os óxidos desempenham importantes funções na interface, sejam atuando como filme de baixa resistência ao cisalhamento, reduzindo o atrito, ou atuando como filme “fechado”, atuando como camada passivadora e impedindo novas reações com o oxigênio ou ainda em situações opostas às citadas. O comportamento do sistema tribológico será ditado pelos óxidos estáveis nas condições de trabalho [1, 2 e 4].

 

Figura 7 - Resultados da análise química para a Tecnologia "A"

 

 

 

 

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