Introdução ao processo de shot peening

O shot peening é aplicado sobre componentes submetidos a esforços cíclicos de flexão ou torção, onde a resistência à fadiga é crítica. As aplicações mais comuns são:

• Indústria automotiva e de transmissões: engrenagens, pinhões e coroas de caixa de câmbio, cames, virabrequins, bielas, barras de torção, diafragmas e discos de embreagem.
• Molas e elásticos: molas helicoidais, de válvulas e molas de lâmina.
• Petróleo e gás: hastes de bombeio (sucker rods), conexões de tubos roscados e eixos de ferramentas de perfuração.
• Aeronáutica: componentes de aeronaves e compressores axiais.
• Mineração e ferramentas: componentes de mineração, perfuratrizes de rocha, hastes de pistão, pinos e barras laterais de correntes.

No shot peening o abrasivo deve ser esférico: só uma partícula arredondada gera o efeito de martelamento sem danificar a superfície. Com essa única condição, os abrasivos mais utilizados são os seguintes.

Granalha de aço fundida (esférica)
• Aço ao carbono ou inoxidável; com o tratamento térmico adequado combina boa dureza e aceitável resistência à ruptura.
• Mais econômica que a granalha de arame cortado.
• Tamanhos normalizados segundo norma SAE J444.

Granalha de arame cortado condicionado (Conditioned Cut Wire, CCW)
• Fabrica-se cortando arame em cilindros e depois condicionando-o (arredondando as arestas) até uma forma quase esférica.
• O grau de condicionamento é fundamental: vai desde a cortada sem condicionar (CW) —cilíndrica, com arestas vivas— até a totalmente condicionada, praticamente esférica. Quanto maior o grau, mais esférica a partícula, maior vida útil e melhor desempenho em fadiga (costuma designar-se em graus crescentes, p. ex. G1 → G2 → G3 conforme o fabricante).
• Excelente dureza com nível de ruptura muito baixo → baixo consumo e granulometria constante.
• Tamanhos normalizados segundo norma SAE J441.

Granalha de fundição de ferro (esférica e nodular)
• Fundição cinzenta, branca e maleável; opção de baixo custo inicial.
• Vida útil menor que a de aço por sua maior fragilidade (a ruptura é crítica no shot peening).
• A nodular é usada de forma muito limitada: baixa dureza, intensidades pobres e deixa resíduos de grafite.

Microesfera de vidro ou cerâmica (glass bead)
• Para intensidades baixas e conformação de chapas finas.
• Indicada em aço inoxidável e materiais não ferrosos que não devem ser contaminados com abrasivo de aço ao carbono.

A efetividade e a qualidade do shot peening dependem do controle estrito de um conjunto de variáveis: o tamanho e a dureza do abrasivo, a velocidade de impacto, a intensidade, a densidade de impactos (cobertura), o ângulo e a distância de projeção, e o percentual de ruptura da granalha.

Tamanho da granalha
• Define a energia cinética do impacto. Quanto maior o tamanho, maior a intensidade mas menor a densidade de impactos.
• Escolhe-se sempre o menor tamanho que atinja a intensidade desejada → processo mais rápido e melhor cobertura.
• O diâmetro deve ser compatível com os menores raios de curvatura da peça.

Dureza da partícula
• Enquanto for mais dura que a superfície, não influi na intensidade.
• Convém que seja só um pouco superior: se for dura demais, torna-se frágil e aumenta a ruptura.
• Se for mais mole que a superfície, a intensidade obtida cai.

Velocidade da partícula
• A maior velocidade, maior energia cinética e maior intensidade.
• Mas o excesso de velocidade aumenta a fratura de partículas, o que freia o aumento real de intensidade.

Ângulo e distância de projeção
• O ângulo ideal é 90° (perpendicular); ao reduzir-se, baixa a intensidade.
• Se por geometria deve ser menor que 90°, compensa-se aumentando tamanho e/ou velocidade da granalha.
• A maior distância, menor intensidade: fixa-se um valor e mantém-se durante todo o processo.

Percentual de ruptura
• Só as partículas esféricas devem impactar; as quebradas são extraídas do circuito automática e rapidamente.
• Deve manter-se um alto percentual de abrasivo esférico para sustentar a intensidade requerida.

A intensidade do shot peening é medida com um ensaio normalizado: o ensaio Almen (norma SAE J442). Consiste em expor uma placa metálica fina (placa Almen) ao fluxo de partículas; o martelamento comprime os grãos da face exposta e aumenta sua área, enquanto a face oposta conserva a original. Essa diferença curva a placa, e a altura do arco resultante é a medida da intensidade. Para uma densidade de impactos de saturação, a intensidade depende da velocidade, do tamanho e da dureza da partícula, e do ângulo e da distância de projeção. Como regra, a menor intensidade capaz de produzir o efeito buscado é a mais eficiente e econômica.

A placa Almen e os intervalos N, A e C
• Usa-se uma placa Almen padrão, fixada sobre uma base com quatro esferas de apoio.
• Três intervalos conforme a espessura da placa: N, A e C (de menor a maior intensidade).
• O resultado expressa-se com o número do comparador + a letra da placa: p. ex. 13 A = intensidade 13 em placa tipo A.
• O comparador é graduado em milésimos de polegada (0,025 mm).

Densidade de impactos (fator de cobertura)
• Indica que percentual da superfície foi impactado pelas partículas.
• A saturação atinge-se perto de 100 %; com cobertura insuficiente não se obtém a melhora de fadiga buscada.
• A cobertura cresce com o tempo de exposição segundo a relação Cₙ = 1 − (1 − C₁)ⁿ, onde C₁ é a cobertura de um ciclo e n o número de ciclos.
• Como medir acima de 98 % é impreciso, esse valor toma-se como referência de saturação e a cobertura expressa-se como múltiplo do tempo necessário para atingir os 98 %.

Ponto de saturação
• Traça-se a curva altura de arco vs. tempo de exposição a diferentes tempos.
• O ponto de saturação aceito na indústria atinge-se quando, ao dobrar o tempo de exposição, a altura do arco aumenta menos de 10 %.

A aplicação principal do shot peening é o aumento da resistência à fadiga, mas o processo aporta além disso outros benefícios e tem condições de uso que convém respeitar.

Aumento da resistência à fadiga
• Eleva consideravelmente a vida à fadiga de molas, fitas, engrenagens, barras e ferramentas (fresas, brocas, punções, matrizes).
• É o efeito buscado em todo componente submetido a esforços cíclicos de flexão ou torção.

Conformação de metais (peen forming)
• Permite conformar chapas finas de forma controlada, sem as altas tensões residuais da conformação mecânica a frio ou a quente.
• Muito usado em componentes estruturais aeronáuticos, como chapas de fuselagem.

Eliminação de tensões residuais
• Transforma as tensões residuais de tração —deixadas por tratamento térmico, conformação ou usinagem— em uma compressão uniforme em toda a superfície.
Aumento da resistência à corrosão
• Ao fechar os espaços intergranulares e eliminar as tensões de tração, reduz a energia do sistema e, com isso, a propensão à corrosão.

Sequência correta e processos posteriores
O shot peening é realizado sempre depois do tratamento térmico e da retífica, nunca antes (a exceção são as aplicações sobre zonas de solda). Além disso, as peças tratadas não devem ser submetidas depois a deformações mecânicas, aquecimentos (salvo muito leves), usinagens nem polimentos, já que a camada comprimida é de muito pouca espessura; só se admite uma passivação superficial como proteção anticorrosiva.

Para aprofundar: normas SAE J441, J442, J443, J444, J445 e J827, e o manual SAE HS-84 “Manual on Shot Peening”.