trabalho - rolamentos para aplicação marítima_final

Unip – Universidade Paulista

Pós-Graduação Engenharia de Manutenção

Rubens Ribeiro Cardoso Júnior José Francisco Ferreira Moitinho

Seleção de materiais para Rolamentos de Aplicação Marítima

Ribeirão Preto - SP

2013

2

Sumário 1. Introdução ...................................................................................................................................... 3

1.1 Origem dos Rolamentos ...................................................................................................... 4

1.2 Características exigidas dos materiais para Rolamentos .............................................. 6

3. Projetos de Rolamentos .................................................................................................................. 6

3.1 Teoria de Hertz ........................................................................................................................... 6

4. Identificação das famílias de Materiais que atendem as características requeridas .......... 10

4.1 Resistência a Fadiga ............................................................................................................... 10

4.2 Alta Dureza ............................................................................................................................... 12

4.3 Alta Resistência ao desgaste ................................................................................................. 12

4.4 Alta Estabilidade Dimensional ............................................................................................... 13

4.5 Alta Resistência Mecânica ..................................................................................................... 13

4.6 Alta Resistência a Corrosão Eletroquímica ......................................................................... 14

4.7 Alta Tensão de Cisalhamento ................................................................................................ 15

4.8 Alto Módulo de Elasticidade ................................................................................................... 16

4.9 Melhor Custo ............................................................................................................................ 16

5. Ranking de materiais que combinam as características elencadas ...................................... 17

6. Aços Liga, Cerâmicos e Polímero empregados na fabricação de rolamento ...................... 18

6.1 Aço AISI 52100 ........................................................................................................................ 18

6.2 Aço Inox V316LUF ................................................................................................................... 19

7. Vesconite ......................................................................................................................................... 22

8. Conclusão ....................................................................................................................................... 23

3

1. Introdução

O estudo aplicado dos materiais, englobando os requisitos de utilização, os

limites de aplicação e os critérios de seleção com ênfase especial no seu

comportamento mecânico e na sua resistência à deterioração por corrosão no

ambiente marítimo, justifica-se para qualquer das variantes da profissão de

engenheiro, enquanto tal. Deve também fazer-se o estudo dos materiais do ponto de

vista da tecnologia de fabricação, isto é, relacionando os processos tecnológicos de

alteração de forma e de alteração de propriedade correntes na construção naval e

indústrias conexas, com os materiais disponíveis.¹

Assim, enquanto o projetista e o engenheiro necessitam conhecer os

materiais correntemente usados e os que se encontram em desenvolvimento, para

os especificar e selecionar, o especialista em estruturas necessita de compreender o

comportamento mecânico e características de fiabilidade dos diversos materiais, o

consultor técnico do armador e o perito necessitam de uma preparação específica

no que se refere à inspeção estrutural, à análise de falhas e às soluções de

reparação.1

No projeto, a escolha do material a adotar para cada componente, órgão ou

elemento é essencial. Havendo disponíveis mais de uma centena de milhar de

variedades de materiais, como poderá o projetista fazer uma escolha adequada? O

problema é extremamente complexo e só se resolve completamente dispondo de um

banco de dados e de um computador que através de um programa conveniente

possa dar a resposta adequada as perguntas que o projeto ponha.¹

A escolha dos materiais tem de ser compatível com o processo de fabricação,

pois nem todos os materiais se adaptam a qualquer processo; por exemplo, há

certos materiais que não se prestam a ser laminados, tais como o bronze e o ferro

fundido; outros não se prestam a ser soldados, colados ou forjados. Por isso a

escolha dos materiais depende das aplicações a que os órgãos se destinam, das

condições de funcionamento a que estão submetidos e das propriedades que se

1 Fonte: https://dspace.ist.utl.pt/bitstream/2295/48336/1/TN-C1f1.pdf extraído em 22/04/2013

4

lhes exige; para que os materiais correspondam a essas exigências devem aqueles

possuir as propriedades convenientes.2

1.1 Origem dos Rolamentos

No Egito antigo, trabalhadores transportavam enormes blocos de pedra para a

construção de monumentos que eram deslizados sobre troncos de árvores como

rolos. Esse método tinha como objetivo aliviar a árdua tarefa, aumentar a velocidade

e resolver o problema da fricção. O nosso capital de giro deve muito ao tronco de

madeira, que também inspirou muitas das rodas. Este é o princípio de rotação que

os une, ambos girando em torno de uma árvore. O desafio era assim: a luta contra o

atrito, aumentando a velocidade de rotação.3

Os restos de uma plataforma giratória de um navio do imperador Calígula,

encontrado no fundo do lago Nemi (Itália) em 1930, mostram que os rolamentos

utilizados eram rudimentares desde a antiguidade. Esta plataforma pode ser

considerada um dos primeiros exemplos de rolamento axial, construído para

suportar os pesos diretos e rolando em torno de seu eixo.³

No século XV, Leonardo da Vinci descobriu o princípio de rotação, e percebeu

que o atrito seria reduzido se as esferas não se tocassem. Ele então começou a

desenvolver separadores permitindo que as esferas se movessem livremente.³

Figura 1 - projeto do Rolamento de Leonardo Da Vinci

2 Fonte: https://dspace.ist.utl.pt/bitstream/2295/48336/1/TN-C1f1.pdf extraído em 22/04/2013

3 Fonte: http://santovitorolamentos.com.br/site/queminventou/ extraído em 24/04/2013

5

Figura 2 - Projeto criado em Computador baseado no desenho de Da Vinci

Da Vinci não viveu para construí-lo, mas posteriormente seu projeto saiu do

papel. Este mecanismo foi reinventado no século XVIII, quando foi patenteado na

Inglaterra, feito com um eixo de carruagem equipada com um anel de esferas

rolando nas ranhuras de seção transversal semicircular realizada no mesmo eixo

(Figura 3).4

Figura 3 - Rolamento reinventado na Inglaterra no século XVIII

No século XIX viu-se o surgimento de uma infinidade de aplicações e

melhorias, tornando possível pelo progresso, ao mesmo tempo no campo da

metalurgia e tecnologia.4

O ponto histórico do rolamento foi a Revolução Industrial. O volume de

negócios foi adaptado ao seu meio ambiente (portanto, diferentes tipos de

rolamentos) e contribuiu para o progresso técnico do desenvolvimento da indústria.4

"As ciências mecânicas são a mais nobre e mais útil de todas, porque através

delas todos os corpos animados executam a operação para a qual foram

projetadas." – Leonardo Da Vinci.4

4 Fonte: http://santovitorolamentos.com.br/site/queminventou/ extraído em 24/04/2013

6

1.2 Características exigidas dos materiais para Rolamentos

Os contatos entre os anéis e os corpos rolantes dos rolamentos são rotativos

acompanhados de deslizamento, sob solicitação repetitiva de alta pressão de

contato. As gaiolas estão sujeitas a tensão e compressão em contato deslizante com

o anel ou com os corpos rolantes, ou ainda, o anel e os corpos rolantes.

Consequentemente, para o material dos anéis, corpos rolantes e gaiolas dos

rolamentos, são requeridas principalmente, as características indicadas a seguir:

Além destas, a boa usinabilidade também é necessária, e dependendo da

aplicação, resistência ao impacto, ao calor e à corrosão é também requerida.5

3. Projetos de Rolamentos

3.1 Teoria de Hertz

Um ponto importante a ser destacado é a distinção entre os tipos de contato

quando dois corpos sólidos estão em contato.6

5 Fonte: Catálogo de rolamento NSK

6 Fonte: Dissertação – VILODRES - 2008

7

Segundo Johnson (1985), os contatos podem ser conformes ou não

conformes. Um contato é dito ser conforme quando as superfícies dos dois corpos

encaixam-se perfeitamente com pouca ou nenhuma deformação. Mancais de

deslizamento e guias lineares são exemplos de contatos conformes. Corpos que

apresentam perfis de superfícies diferentes são ditos como contatos não conformes.

7

Quando tais superfícies são colocadas em contato, num primeiro instante, não

tendo deformação das superfícies, tem-se um contato pontual ou um contato linear.

Pode-se citar como exemplo um rolamento fixo de uma carreira de esferas que

apresenta um contato pontual quando as esferas tocam as pistas de rolagem. Já

com rolamentos de rolos cilíndricos, tem-se um contato linear entre os rolos e as

pistas de rolagem. Contatos lineares são obtidos quando o perfil das superfícies é

conforme em uma direção e não conforme na direção perpendicular à anterior. A

área de contato entre corpos não conformes é normalmente pequena se comparada

com as dimensões dos corpos envolvidos. As tensões envolvidas são fortemente

concentradas na região próxima à zona de contato.8

Figura 4 - a) Contato Conforme; b) Contato não conforme ( HUTCHINGS, 1992 )



8

Abaixo é mostrado um sumário das equações da tensão de contato elástico

descrito por Hertz (1882 apud STACHOWIAK; BATCHELOR, 2001) para contatos

elípticos sob uma carga W. Para um maior detalhamento, da geometria de contato,

de um rolamento fixo de uma carreira de esferas, tem-se a Figura 5.9

Figura 5 - Geometria de contato conforme de dois corpos (STACHOWIAK; BATCHELOR, 2001)

a = semi-eixo maior [m];

b = semi-eixo menor [m];

Rx e Ry = raios de curvatura reduzidos, maior e menor respectivamente [m];

R’ = raio reduzido de curvatura [m];

Rax e Ray = raios de curvatura do corpo A nas direções x e y respectivamente,

conforme Figura 5 [m];

Rbx e Rby = raios de curvatura do corpo B nas direções x e y respectivamente,

conforme Figura 5 [m];

W = carga de contato, conforme Figura 5 [N];

Pmax = máxima pressão de contato [Pa];


9

Pmédia = pressão média de contato [Pa];

δ = deformação elástica (aproximação) dos pontos de contato [m];

τmax = máxima tensão de cisalhamento [Pa];

z = profundidade de máxima tensão de cisalhamento [m];

k1, k2, k3, k4, k5 = coeficientes elípticos de contato;

E’ = módulo de elasticidade reduzido dos materiais [Pa];

Ea e Eb = módulo de elasticidade dos corpos A e B respectivamente [Pa];

a e b = coeficiente de Poisson dos corpos A e B respectivamente.

byaybxaxYX RRRRRRR

111111

'

1 (3.1.1)

Note que os raios de curvatura do corpo B, por convenção, foram colocados

com sinal negativo, pois são para o corpo de contato côncavo. Caso seja para um

corpo convexo os valores tornam-se positivos.10

3

1

1'

'3

E

WRka (3.1.2)

3

1

2'

'3

E

WRkb (3.1.3)

ab

WP

2

3max (3.1.4)

ab

WPmédia

(3.1.5)

3

1

2

2

3''

52,0

ER

Wk (3.1.6)

maxmax4max 3,0 PPk (3.1.7)

bkz 5 (3.1.8)


10

b

b

a

a

EEE

22 11

2

1

'

1 (3.1.9)

Entretanto, verifica-se que o modelo descrito por Hertz contém algumas

simplificações, tais como (JOHNSON, 1985):

- Ignora os deslocamentos da superfície fora do contato;

- As superfícies de contato não apresentam atrito entre si;

- Trata todos os perfis de tensão como parabólicos;

- Trata todas as deformações como sendo no regime elástico.

Das considerações realizadas por Hertz, destacamos as variáveis que

definem algumas características importantes dos materiais a serem empregados na

construção de rolamentos, que são:

δ = deformação elástica (aproximação) dos pontos de contato [m];

τmax = máxima tensão de cisalhamento [Pa];

Ea e Eb = módulo de elasticidade dos corpos A e B respectivamente [Pa];

a e b = coeficiente de Poisson dos corpos A e B respectivamente.

4. Identificação das famílias de Materiais que atendem as características requeridas

4.1 Resistência a Fadiga

Figura 6 - Fonte: Fundamentals of Materials Science and Engineering_Callister_

11

Tabela 1 - Fonte: Fundamentals of Materials Science and Engineering_Callister



12

4.2 Alta Dureza

Figura 7 – Dureza dos materiais

4.3 Alta Resistência ao desgaste

Figura 8 – Resistência ao desgaste

13

4.4 Alta Estabilidade Dimensional

Figura 9 – Estabilidade dimensional

4.5 Alta Resistência Mecânica

Figura 10 – Resistência mecânica

14

4.6 Alta Resistência a Corrosão Eletroquímica

Figura 11 – Resistência a Corrosão Eletroquímica

15

4.7 Alta Tensão de Cisalhamento

Tabela 4 – Tensão de cisalhamento

16

4.8 Alto Módulo de Elasticidade

Figura 12 – Módulo de elasticidade

4.9 Melhor Custo

Figura 13 – Custo dos materiais

17

5. Ranking de materiais que combinam as características elencadas11

Analisando as características requeridas para os materiais de rolamentos,

observamos que os polímeros, cerâmicos e metais, atendem a algumas dessas

exigências. No entanto, não existe um material que atenda totalmente a todas as

características necessárias. Portanto cabe ao projetista identificar qual a

característica mais importante para a aplicação a que se destina este componente. A

seguir serão avaliadas as características para cada grupo de materiais, para o

projeto de um rolamento.

Grupo de

Materiais

Característica Necessária

Me

tais

Po

lím

ero

s

Cerâ

mic

os

Alta Resistência a Fadiga 3 1 0

Alta Dureza 3 1 1

Alta Resistência ao Desgaste 3 2 3

Alta Estabilidade Dimensional 3 1 3

Alta Resistência Mecânica 3 1 3

Alta Resistência a Corrosão

Eletroquímica

1* 3 3

Alta Tensão de Cisalhamento 3 0 3

Alto Módulo de Elasticidade 3 2 3

Melhor Custo 3 3 2

Total 25 14 21

Tabela 5 - 0-Desprezível; 1-Regular; 2-Boa ; 3 - Ótima

11 Fonte: R.S. Hide, “Contact Fatigue of Hardened Steel”, Fatigue and Fracture, ASM Handbook, ASM

International, Materials Park, Ohio, 1996, pp. 691-703.

18

* Os aços com adição de cromo e níquel possuem maior resistência a corrosão, mas

não são imunes ao processo corrosivo.

A partir dos dados coletados, nota-se que alguns materiais da família dos

Metais e Cerâmicos, reúnem as características necessárias à construção de

rolamentos. No entanto os Metais, com exceção das ligas Níquel Cromo, possuem

baixa resistência à corrosão, o que torna esses materiais impróprios a aplicações

que tenham contato com água do mar. Já os Cerâmicos, possuem baixa resiliência,

o que os tornam impróprios para aplicações nas quais essa característica é

desejada. Os rolamentos em alguns casos estão sujeitos a impactos.

“Os aços inoxidáveis também possuem aplicação limitadas, pois este material

tem limitações quanto a resistência á fadiga e ainda menor dureza se comparado ao

Aço AISI 52100”.12

6. Aços Liga, Cerâmicos e Polímero empregados na fabricação de rolamento

6.1 Aço AISI 52100

Os materiais ferrosos que exibem propriedades mecânicas superiores aos

aços carbono comuns, resultado da adição de elementos de liga são conhecidos

como Aço liga. A principal função dos elementos de liga é de aperfeiçoar as

propriedades mecânicas dos materiais proporcionando uma melhora de

desempenho. Um aço liga muito empregado na fabricação de rolamentos é o AISI

52100.

Composição química do aço 52100

AISI e SAE % Carbono % Manganês % Silício % Cromo

52100 0,98 – 1,10 0,25 – 0,45 0,15 – 0,35 1,3 – 1,6

12 Fonte: R.S. Hide, “Contact Fatigue of Hardened Steel”, Fatigue and Fracture, ASM Handbook, ASM

International, Materials Park, Ohio, 1996, pp. 691-703.

19

O Aço AISI 52100 é um aço liga com alto teor de carbono, aproximadamente

1% e teor de cromo entre 1,30 e 1,60% ( CHIAVERINI, 1986). Os elementos de liga

promovem a formação de carbonetos e consequente aumento da dureza, resistência

ao desgaste e abrasão e menor ductibilidade (MEDEIROS, 2002; VERÁSTEGUI,

2007). No entanto a baixa resistência à corrosão é a característica que torna o AISI

52100 limitado para aplicações nesse tipo de ambiente. A aplicação Naval tem como

uma das principais exigências a resistência à corrosão eletroquímica.

6.2 Aço Inox V316LUF

Aço cromo-níquel inoxidável austenítico de extra-baixo teor de carbono.

Amagnético. Não temperável. Possui eventualmente pequenos teores de ferrita,

apresentando então um leve magnetismo. Quando deformado a frio, torna-se

parcialmente martensítico e ligeiramente magnético. Possui boa resistência à

corrosão. Tem a propriedade de manter boas características de tenacidade até

temperaturas extremamente baixas, o que torna um material adequado para

aplicações criogênicas sujeitas a choques e impactos. O aço V316LUF, como em

geral todos os aços inoxidáveis austeníticos, caracteriza-se por um coeficiente de

dilatação térmica linear cerca de 50% superior aos dos aços para construção

mecânica.

Composição Química

AISI % Carbono % Cromo % Níquel % Molibdênio

316L 0,03 máx. 17,00 12,00 2,20

O aço V316LUF tem um campo de aplicação semelhante ao do V316UF,

sendo porém preferido, por seu baixo teor de carbono, nos casos em que existem

condições propícias para a ocorrência de corrosão intercristalina.

20

6.3 Cerâmica

O nitreto de silício foi produzido pela primeira vez em 1857 por Henri Etienne Sainte-

Claire Deville e Wöhler Friedrich13, mas permaneceu apenas como uma curiosidade

química. Demorou quase uma centena de anos antes de ser usado. Em 1958, o

nitreto de silício já se encontrava na produção comercial de tubos termopar, tubeiras

de foguetes, barcos e cadinhos de metais de fusão. O trabalho britânico com nitreto

de silício, iniciado em 1953, destinava-se para turbinas a gás em altas temperaturas

e resultou no desenvolvimento de outros compostos de nitreto de silício. Em 1971, a

Agência do Projeto de Pesquisa Avançada do Departamento de Defesa dos EUA

firmou um contrato de 17 milhões dólares EUA com a Ford e a Westinghouse por

duas turbinas a gás de cerâmica. 14

O nitreto de silício pode ser obtido por reação direta entre silício e nitrogênio

em temperaturas entre 1300 e 1400 °C:15

3 Si(s) + 2 N2(g) → Si3N4(s)

Pela síntese do Diazeno: 16

SiCl4(l) + 6 NH3(g) → Si(NH)2(s) + 4 NH4Cl(s) em 0 °C 3 Si(NH)2(s) → Si3N4(s) +

N2(g) + 3 H2(g) at 1000 °C

Ou por redução carbotérmica em atmosfera de nitrogênio em 1400-1450 °C:17

3 SiO2(s) + 6 C(s) + 2 N2(g) → Si3N4(s) + 6 CO(g)

13

Fonte: [Deville, H. and Wohler, F.. (1857). "Erstmalige Erwahnung von Si3N4". Liebigs Ann. Chem. 104.] e

[Frank L. Riley. (2004). "Silicon Nitride and Related Materials". Journal of the American Ceramic Society 83 (2). DOI:10.1111/j.1151-2916.2000.tb01182] 14 Fonte: [C. Barry Carter, M. Grant Norton. Ceramic Materials: Science and Engineering. [S.l.]: Springer, 2007.

p. 27. ISBN 0387462708].

15 Fonte: [ Frank L. Riley. (2004). "Silicon Nitride and Related Materials". Journal of the American Ceramic

Society 83 (2). DOI:10.1111/j.1151-2916.2000.tb01182.x]


Society 83 (2). DOI:10.1111/j.1151-2916.2000.tb01182.x]


Society 83 (2). DOI:10.1111/j.1151-2916.2000.tb01182.x]

21

Estruturas Cristalinas do Si3N4

Figura 14 - Triangular

Figura 15 - Hexagonal

Figura 16 - Cubo

Cerâmicas de nitreto de silício têm boa resistência ao choque em comparação

com outras cerâmicas. Portanto, rolamentos e esferas de cerâmica de nitreto de

silício são usadas nos rolamentos de desempenho. Um exemplo representativo é o

uso de rolamentos de nitreto de silício nos principais motores dos ônibus espaciais

da NASA. 18

Rolamentos de nitreto de silício são mais duros do que o metal que reduz o

contato com a pista de rolamento. Isso resulta em ate 80% a menos de atrito, 3 a 10

vezes maior durabilidade, velocidade 80% maior, peso 60% mais leve, a capacidade

de operar sem lubrificação, maior resistência à corrosão e maior temperatura de

operação, em comparação com rolamentos de metal tradicional.19 As Bolas de

nitreto de silício pesam 79% menos do que bolas de carboneto de tungstênio.

Rolamentos de nitreto de silício podem ser encontrados em automóveis de ponta,

equipamentos industriais, turbinas eólicas, motores, bicicletas, patins e skates.

Rolamentos de nitreto de silício são especialmente úteis em aplicações onde a

corrosão, campos elétricos ou magnéticos podem proibir o uso de metais. Por

exemplo, em medidores de vazão da maré, onde o ataque da água do mar é um

problema.

O Si3N4 foi demonstrada pela primeira vez como um rolamento superior em

1972, mas não chegou a produção até cerca de 1990 por causa de desafios 18 Fonte: [Ceramic Balls Increase Shuttle Engine Bearing Life. NASA. Página visitada em 2009-06-06] e [Space

Shuttle Main Engine Enhancements. NASA. Página visitada em 2009-06-06.]

19

Fonte: [ Silicon Nitride – An Overview. Página visitada em 2009-06-06.]

22

associados com a redução do custo. Desde 1990, o custo foi reduzido

substancialmente o volume de produção aumentou. Apesar dos rolamentos de

nitreto de silício ainda estarem 2-5 vezes mais caro do que os rolamentos de aço,

seu desempenho superior e vida estão justificando a rápida adoção.20

7. Vesconite

Um polímero, no entanto, possui características que o torna compatível para

aplicações em ambientes agressivos do ponto de vista da corrosão. O material

usado em aplicações navais é o Vesconite. A tabela 6 reúne os dados desse

material.

Tabela 6 – Propriedades do Vesconite

20 Fonte: [Ceramic Industry. Oak Ridge National Laboratory. Arquivado do original em October 2, 2006. Página

visitada em 2009-06-06.]

23

O Vesconite é um material utilizado na confecção de mancais para aplicação

Naval em situações em que o emprego de lubrificantes é impossível e o componente

tem contato direto com água do mar.

8. Conclusão

Dos materiais analisados as famílias de Metais e Cerâmicos, possuem as

melhores características para aplicação em projetos de rolamentos, no entanto,

ambas as famílias tem problemas que trazem algum tipo de limitação.

Dos metais, AISI 52100 e AISI 316L, o primeiro apresenta baixa resistência à

corrosão, e o segundo tem menor dureza.

Os cerâmicos apresentam baixa resistência a impactos. A excessão é o

Nitreto de Silício que possui características que melhoram a dureza e resistência ao

desgaste.

O Vesconite é um polímero que possui características de resistência

mecânica, dureza, coeficiente de elasticidade, inferiores aos metais e cerâmicos, no

entanto alta resistência a abrasão e alta resistência à corrosão mecânica. Podendo

em algumas aplicações de buchas ser utilizado.

A aplicação marítima tem como fator crítico a resistência a corrosão, com isso

o AISI 52100 não dever ser utilizado. Na tabela 7 reunimos as características de

cada um dos materiais que podem ser utilizados para aplicação marítima, e a partir

dela é possível definir o material ideal de acordo com as necessidades específicas

da aplicação.

Aço Inox Nitreto de Silício

Vesconite

Alta Resistência a Fadiga 3 1 2

Alta Dureza 2 2 1

Alta Resistência ao Desgaste 3 3 1

Alta Estabilidade Dimensional 3 3 2

Alta Resistência Mecânica 3 2 1

Alta Resistência a Corrosão Eletroquímica

2 3 3

Alta Tensão de Cisalhamento 3 2 1

Alto Módulo de Elasticidade 3 3 1

Custo 2 1 3 Tabela 7 0-Desprezível; 1-Regular; 2-Bom ; 3-Ótimo

trabalho - rolamentos para aplicação marítima_final

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