Caracterização preliminar de uma lâmina circular comercial para corte de papel quanto à sua microestrutura, composição química e dureza
Preliminary characterization of a commercial circular blade
for paper cutting regarding its microstructure,
chemical composition and hardness
Rodrigo Nunes de Azevedo, Lauren Arrussul Carús, Cláudia Trindade Oliveira
Universidade Feevale, ICCT, endereço institucional (Rod. RS239, n.2755, Bairro Vila Nova), Novo Hamburgo, Rio Grande do Sul, Brasil.
Sandra Raquel Kunst Projeto de Fixação de Recursos Humanos do CNPq - Nível A (RHAE), Brasil.
E-mails: nunesrodrigo982@gmail.com, tessaro.sandra@gmail.com,laucarus@gmail.com, cto@feevale.br
RESUMO
No cenário atual, as embalagens são cada vez mais importantes para a divulgação de uma marca e produto, pois elas se tornam a imagem que a empresa quer divulgar ao consumidor. Neste contexto, mercadorias precisam ser entregues em embalagens adequadas e o papelão ondulado está entre os materiais mais utilizados, devido a sua facilidade de manuseio, função protetiva para os produtos, além de ser considerado ambientalmente sustentável. O corte do papelão é feito com uso de lâminas circulares, que proporcionam qualidade e velocidade nos processos produtivos do papelão ondulado. As lâminas precisam apresentar características especiais para o processo de corte, principalmente boa durabilidade no gume cortante. No entanto, devido à característica abrasiva do material cortado, o gume da lâmina desgasta com o uso e perde suas características de cisalhamento, comprometendo o desempenho e a qualidade do corte executado. Isso faz com que o gume da lâmina necessite ser afiado constantemente durante o processo e, dependendo da situação, até mesmo a lâmina ser trocada, antes do fim de sua vida útil. Pensando neste problema, que ocasiona gastos excessivos de produção, o presente trabalho tem como objetivo realizar uma caracterização preliminar sobre o material e o processo de produção da lâmina utilizada na indústria atualmente. Para tanto, será realizada uma revisão em literaturas, com a finalidade de identificar as características necessárias que as lâminas de corte devem apresentar. Além disso, a amostra desgastada de uma lâmina será avaliada por meio de ensaios para identificação de sua microestrutura, composição química e dureza. Pretende-se, desta forma, avaliar a condição da liga e comparar os resultados com outros estudos já realizados.
Palavras-chave: Lâminas circulares. Papelão ondulado. Desgaste por abrasão. Ligas em aço.
ABSTRACT
In the current scenario, packaging is increasingly important for the dissemination of a brand and product, as they become the image that the company wants to publicize its product to the consumer. In this context, goods need to be delivered in appropriate packaging and corrugated cardboard is among the most used materials, due to its ease of handling, protective function for products, in addition to being considered environmentally sustainable. The cardboard is cut using circular blades, which provide quality and speed in the corrugated cardboard production processes. The blades need to have special characteristics for the cutting process, especially good durability on the cutting edge. However, due to the abrasive characteristic of the cut material, the blade edge wears out with use and loses its shear characteristics, compromising the performance and quality of the cut performed. This means that the edge of the blade needs to be sharpened constantly during the process and, depending on the situation, even the blade needs to be changed, before the end of its useful life. Thinking about this problem, which causes excessive production costs, the present work aims to carry out a preliminary characterization of the material and the production process of the blade used in the industry today. Therefore, a literature review will be carried out, in order to identify the necessary characteristics that the cutting blades must present. In addition, the worn sample of a blade will be evaluated by means of tests to identify its microstructure, chemical composition and hardness. In this way, it is intended to evaluate the condition of the alloy and compare the results with other studies already carried out.
Keywords: Circular blades. Corrugated paper. Abrasion wear. Alloys in steel
1. INTRODUÇÃO
Na indústria atual as embalagens são extremamente importantes para o desenvolvimento de uma empresa, e a demanda aumentou à medida que o uso do chamado e-commerce (comércio digital) evoluiu no mundo. Segundo o índice MCC-ENET (2020), o e-commerce cresceu 73,88% no Brasil no último ano, número que se elevou por causa da pandemia. Nesse contexto, se encaixam as embalagens em papelão ondulado, consideradas práticas, com melhor função protetiva ao produto e, principalmente, ambientalmente sustentáveis, visto que podem ser reaproveitadas inclusive dentro do seu processo produtivo, diferentemente das embalagens de plástico, por exemplo [1,2,3].
A embalagem é a grande ligação entre o produto e a empresa que o produz, por isso a exigência pela qualidade e padrão vem aumentando. Isso torna a exatidão do corte do papel imprescindível, já que garante a precisão dimensional e o acabamento estético do produto [4,5].
Na indústria de embalagens em papelão ondulado, o corte da chapa de papel é feito em uma máquina chamada vincadeira, controlada via comando numérico, através de uma ferramenta de corte circular chamada de faca, que necessita de uma boa resistência ao desgaste por abrasão e boa tenacidade para evitar sua quebra frágil durante o processo [6].
A lâmina deve apresentar uma relação ótima entre resistência ao desgaste por abrasão e tenacidade, pois, caso contrário, ela acaba perdendo a afiação do gume cortante de forma precoce, ocasionando menor vida útil da ferramenta. Algumas tentativas de se evitar o problema têm sido realizadas, afim de aumentar a resistência mecânica do gume cortante dessas facas [7].
Desta forma, este trabalho tem por objetivo realizar a caracterização de uma lâmina circular para corte de papel quanto a sua composição química e dureza.
2. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
2.1 Obtenção da lâmina de gume cortante danificada
Para avaliação das características do material foi preciso o estudo a partir de uma lâmina de corte com o gume cortante danificado, para tanto, foi pedido ao representante de uma empresa de embalagens a disposição de uma lâmina nestas condições para estudo. A lâmina disponibilizada rodou aproximadamente 2.430 horas na máquina, um tempo que não se pode estabelecer como tempo médio de vida útil da ferramenta em questão, quando então houve, além do desgaste completo do gume cortante, uma quebra de forma frágil o que ocasionou a troca por uma lâmina nova.
2.2 Caracterização do material estudado: Densidade calculada
A densidade é a relação existente entre a massa de um material e o volume que ele ocupa, a uma dada pressão e temperatura. Esta grandeza pode ser expressa para uma substância ou uma mistura de substância independente de seu estado natural. Para poder calcular a densidade do material que está sendo estudado, iniciou-se realizando o cálculo do volume de uma pequena partícula da lâmina circular que foi cortada. Com o auxílio de um paquímetro analógico Mitutoyo, foram medidas as dimensões desta pequena parte cortada.
Os valores medidos foram descritos em milímetros e, sabendo que a espessura da lâmina é de 1,21mm, medida descrita pelo fabricante, foi possível então realizar o cálculo do volume desta pequena amostra.
Para encontrar a densidade do material foi preciso realizar o dimensionamento da massa da amostra, para isto utilizou-se uma balança de precisão. A massa retirada da balança está expressa em gramas o que facilita o cálculo da densidade do material expressa em g/cm³. O valor da massa da amostra ficou em 0,5312g.
Com o dado coletado, juntamente ao valor calculado do volume, foi possível verificar a densidade do material através da Equação 1.
d = m / V [g/cm³] (1)
Em que:
d = densidade em g/cm³
m = massa em g
V = volume em cm³
2.3 Preparação das amostras para as caracterizações de superfície
Antes da análise é necessário preparar a superfície das amostras. Para tanto, as amostras da lâmina de corte danificada (gume cortante) e não danificadas (centro da peça) serão cortadas com esmerilhadeira, embutidas a quente com resina baquelite na prensa, para facilitar o manuseio das peças e, posteriormente lixadas e polidas em uma politriz rotativa modelo Polipan-U da marca Pantec.
O lixamento foi realizado com lixas de carbeto de silício com granulometria de 80, 200, 400, 600, 800, 1.000 e 1.200, iniciando pela lixa de menor granulometria até a maior. Ainda quanto ao lixamento, foi utilizado uma ferramenta que possibilita melhor precisão na retilineidade da amostra durante o processo chamada grinder, também durante o trabalho foi aplicada água corrente diretamente na lixa e, a cada troca de lixa, a amostra foi girada em 90º. Como forma de eliminar pequenos arranhões ocasionados durante o lixamento, as amostras foram submetidas ao procedimento de polimento final das peças. Para tal procedimento foi utilizado um pano para polimento com aplicação de pasta de alumina em suspensão com granulometria de 0,3 µm.
Para a análise da microestrutura das amostras foi realizado ataque químico com Nital 5% por aproximadamente dez segundos e, logo em seguida, as amostras foram lavadas em água e secas com auxílio de ar frio.
2.4 Caracterização do material estudado: Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) e espectroscopia de energia dispersiva (EDS)
A análise da microestrutura foi realizada com o auxílio de um Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) modelo JEOL-JSM 6510CV com resolução de 129 eV após a metalização com alvo de ouro, para permitir a condução elétrica e a obtenção das imagens.
Para a análise do tamanho de grão e de possíveis pontos de porosidade na peça foi utilizado o software free de tratamento de imagens Image J 1.50i. Esse software é amplamente utilizado para diversos fins, tanto para beneficiamento de imagens e fotografias quanto para utilização científica.
O aparelho MEV possui como acessório uma sonda de espectroscopia de energia dispersiva (EDS), responsável pela caracterização química elementar do material analisado.
2.5 Caracterização do material estudado: Ensaio de dureza
O ensaio de dureza Vickers foi realizado numa máquina Universal Tester modelo HBRV-900LV2. A carga utilizada no ensaio de dureza foi de 100 kgf. Foram feitas oito medições de dureza na amostra da lâmina em posições distintas, iniciando da periferia para o centro, como apresentado na Figura 3, afim de avaliar desta maneira possíveis diferenças de dureza na lâmina em determinadas partes, principalmente na região mais próxima ao gume cortante da lâmina.
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
3.1 Resultado da densidade calculada da amostra
A Tabela 1 mostra as medidas da partícula da amostra, os cálculos realizados e o resultado encontrado de densidade da lâmina de corte de papel.
O valor encontrado de densidade, portanto, foi de 14,47 g/cm³. Este valor está coerente com a literatura ao analisar os materiais sinterizados WC-Co. Na Tabela 2 observam-se os resultados de densidade obtidos por Norgren et. al (2009) [8].
O valor de densidade encontrado passa uma ideia de que o material pode se tratar de um carbeto de tungstênio. Os valores que mais se aproximaram do valor encontrado de densidade da amostra são os que possuem na sua liga adição dos elementos Cromo (Cr) e Vanádio (V) na composição.
3.2 MEV e caracterização da microestrutura do material
A Figura 4 apresenta as micrografias obtidas ao MEV da amostra da lâmina circular par corte de papel.
A Figura 4-a apresenta a micrografia ao MEV da seção transversal da amostra aumentada em mil vezes, a Figura 4-b apresenta a micrografia aumentada em duas mil vezes, a Figura 4-c apresenta a micrografia aumentada em cinco mil vezes e, por fim, a Figura 4-d apresenta a micrografia aumentada em 10 mil vezes. Nas micrografias é possível observar que o material possui poucas lacunas referentes a poros, alguns deles estão identificados através das setas em vermelho na micrografia B, e muitas regiões com interstícios aparentes, alguns deles estão identificados pelas setas em vermelho nas micrografias C e D.
Através da visualização das micrografias obtidas ao MEV podemos identificar interstícios ou áreas dispersas com notável diferença de material, características do processo de produção por sinterização. Segundo Klein et, al (2010) [9], estes interstícios são ilhas de material aglutinante uniformemente distribuídas no material e com uma espessura média muito semelhante ao encontrado em um metal duro WC. A semelhança pode ser verificada na Figura 10, que estabelece um comparativo entre a micrografia obtida ao MEV durante o ensaio da amostra da lâmina de corte de papel e a micrografia obtida ao MEV da pesquisa de Klein et, al (2010) [9].
No artigo de Klein et, al (2010) [9], foram utilizados os seguintes pós no desenvolvimento dos ensaios:
• Pó de carboneto de Tungstênio (WC) com tamanho médio de grão de 2,5 µm;
• Pó de óxido de Níquel (NiO) com teor de Níquel de aproximadamente 50%;
• Pó de carbono com tamanho de partícula de 2 µm e 3 µm;
• Pó de carboneto de Silício com uma pureza de 99% e tamanho de partícula de 2,0 µm.
Após serem pesados nas frações desejadas, os pós foram misturados durante 80 horas, sob atmosfera de heptano, em moinho de bolas, revestidos de metal duro. Em seguida, a mistura de pós foi submetida a um tratamento de redução em atmosfera de hidrogênio a 750ºC por uma hora, devido à presença de óxido de níquel. Após a redução, adicionou-se 1,75% de parafina dissolvida em heptano.
A compactação da mistura foi efetuada em matriz de aço tipo flutuante. Em seguida, iniciou-se o ciclo de sinterização. Primeiramente, foi realizada a remoção da parafina através de um aquecimento lento (10ºC/min - 20ºC/min) até aproximadamente 500ºC, em fluxo de hidrogênio. Após uma hora na temperatura de 500ºC, aumentou-se a temperatura para 750ºC, que foi mantida por 30 minutos para que ocorresse a pré-sinterização.
As amostras, já na geometria desejada, foram finalmente sinterizadas em 1.460ºC por uma hora, em um forno a vácuo (2 x 10-5 bar a 6 x 10-5 bar). Após isso, as amostras foram polidas e passaram pela caracterização microestrutural.
Na Figura 5-a é apresentado uma micrografia ao MEV do artigo de Klein et, al (2010) [9] onde, segundo o autor, foi observado um metal duro sinterizado experimentalmente com 90% de percentual em massa de WC e 10% da fase ligante, sendo esta 94,1%Ni, 4,1% Si e 1,8% C.
Comparando a micrografia obtida ao MEV do artigo de Klein et, al (2010) [9], Figura 5-a com a amostra da lâmina de corte para papel, Figura 5-b, evidencia-se uma diferença aparente na quantidade de WC e principalmente na fase ligante entre as duas amostras.
As setas em branco na Figura 5-a mostram alguns pontos de concentração de ligante que o autor chama de ilhas de ligante, seriam essas formadas pelos elementos Niquel (Ni), Silicio (Si) e Carbono (C). As setas em vermelho na Figura 3-b mostram alguns pontos de concentração de ligante na amostra da lâmina circular. Pela semelhança nas micrografias, provavelmente a obtenção da lâmina de corte deste trabalho foi por processo de sinterização, possivelmente semelhante ao utilizado por Klein et, al (2010) [9].
3.3 Análise dos elementos de liga por EDS
A análise realizada por EDS estuda uma região específica da amostra e retira pontos a serem avaliados. Alguns destes pontos podem apresentar impurezas ou resíduos que não fazem parte do estudo válido, como sujidades ou água acumulada que são provenientes do processo de lixamento e polimento realizado anteriormente na amostra. Desta forma, foram separados na imagem pontos onde realmente o mapeamento foi realizado, em locais com presença de integra de material em toda sua superfície. A Figura 6 apresenta os pontos na região da amostra de onde foram retiradas as análises por EDS realizada na seção transversal da lâmina circular para corte de papel.
A Figura 7 mostra que, predominantemente, o material possui Tungstênio (W) em sua composição nestes pontos da região analisada da amostra de lâmina circular. Também são apontados outros materiais pelo EDS, especificamente nestes pontos da amostra. São eles o Cobalto (Co), o Cromo (Cr) e o Carbono (C), além de alguns elementos que podemos considerar impurezas e erros do próprio ensaio por EDS, e que podem não ser realmente elementos relacionados à liga estudada como o Argônio (Ar) e o Ferro (Fe), que somente aparecem na análise do ponto 2.
Na Figura 7-a pode-se visualizar os percentuais atômicos e de massa dos elementos de liga presentes no ponto 2 e, somente neste ponto específico, analisados da amostra da lâmina circular, onde temos a comprovação que o Tungstênio (W) é o material que está presente em maior quantidade, com 54,92% de percentual atômico e 86,51% de percentual em massa, seguido pelo Carbono (C), que possui 19,64% de percentual atômico e 2,02% de percentual em massa, e pelo Cobalto (Co), que possui 19,47% de percentual atômico e 9,83% de percentual em massa.
Na Figura 7-b a análise foi realizada no ponto 5 e, somente neste ponto específico, da região estudada. Novamente observa-se o predomínio do elemento Tungstênio (W) com 65,11% de percentual atômico e 92,60% de percentual em massa, seguido pelo Carbono (C), que possui 22,19% de percentual atômico e 2,06% de percentual em massa, e pelo Cobalto (Co), que possui 10,67% de percentual atômico e 4,86% de percentual em massa.
Analisando a Figura 7-b, nota-se que no ponto 5 da região analisada existe um aumento no percentual atômico e de massa os elementos Tungstênio (W) em relação ao ponto 2, em contra partida existe um decréscimo no percentual atômico e no percentual em massa do elemento Cobalto (Co). Além disso, em ambos os pontos, encontramos um pequeno percentual do elemento Cromo (Cr) na composição do material.
Os resultados apresentados no EDS são semelhantes ao alcançado por Nonato (2020), que em seu estudo trabalhou com amostras WC-Co, ou seja, carbeto de Tungstênio com percentual de Cobalto na fase ligante. O material foi processado por sinterização e obteve os mesmos picos de Tungstênio (W) em suas análises posteriores. Para exemplificar isso, a Figura 8 apresenta o gráfico da análise por DRX e o percentual atômico da amostra de Nonato (2020) [8].
Segundo Nonato (2020) [10], a partir dos valores apresentados na tabela do percentual atômico de cada elemento é possível verificar que a partícula de WC (carbeto de Tungstênio) com pico de intensidade apresentado na análise por DRX, trata-se de uma mistura dos elementos W, C e Co, isso confirma que existe dissolução dos elementos na matriz ligante Cobalto. É provável que o Tungstênio e o Cobalto tenham formado solução sólida nessas regiões devido sua alta afinidade para isso.
Portanto, a partir da comparação entre as análises semiquantitativas da amostra de WC-Co de Nonato (2020) [10], com a amostra da lâmina para corte de papel, foi comprovado que a microestrutura do metal duro WC-Co está presente na composição, ainda existe a tendência de apresentar maior quantidade de grãos de WC, mostrando assim que o metal cobalto possui mais facilidade de formar solução sólida com o tungstênio e executou o papel de ligante para o processo de sinterização na produção da lâmina.
A lâmina de corte para papel possui alto percentual atômico e em massa do elemento Tungstênio (W) e, junto ao elemento ligante Cobalto (Co), formaram uma solução sólida homogênea em seu processo de sinterização a uma determinada temperatura que ainda não temos conhecimento. A diferença entre as análises é a presença do elemento Cromo (Cr) na amostra da lâmina circular para corte de papel.
3.4 Análise de dureza da liga
A Tabela 3 apresenta os resultados da análise de dureza Vickers da amostra da lâmina para corte de papel.
No estudo de Norgren et, al (2009) [8], quatro materiais diferentes foram produzidos a partir do mesmo WC e Pó de Co, um material de referência WC-Co e três materiais com pequenas adições de V, Cr ou Mn. A quantidade de adições correspondeu a 0,5 de percentual atômico em todos os materiais, e a quantidade de Co foi mantido constante em 10% em massa. Todos os quatro materiais foram moídos por 45,5 h e sinterizado por 1h a 1.410°C no vácuo e ao mesmo tempo. Após a finalização do processo, os materiais passaram pelo ensaio de dureza apresentados na Tabela 4.
Comparando o ensaio de dureza Vickers realizado por Norgren et, al (2009) [8] com a amostra da lâmina circular deste trabalho podemos observar que o valor de Norgren é inferior. O material da amostra de Norgren possui 10% de percentual em massa do elemento Cobalto (Co) e 0,28% do elemento Cromo (Cr). Estes valores se aproximam aos apresentados nas análises da lâmina de corte de papel, como visto anteriormente na apresentação dos resultados da análise por EDS e, apesar do percentual atômico e de massa do elemento Tungstênio (W) ser pouco menor na amostra de Norgren, o valor médio da dureza para a partícula da lâmina ensaiada ficou elevado.
Outro fator importante para a dureza seria o tamanho do grão, sendo assim foi realizado um comparativo entre o tamanho do grão do carbeto de Tungstênio (WC) entre as micrografias da lâmina circular para corte de papel e da amostra com adição de Cromo (Cr) do estudo de Norgren et, al (2009) [8]. A Figura 9 apresenta os grãos analisados nas micrografias das amostras que serão comparadas.
Para os pontos analisados foram retirados os valores das ordenadas e abcissas, utilizados para cálculo dos comprimentos de cada linha traçada em vermelho. A Tabela 5 apresenta os resultados em micrometros (µm) para cada ponto estudado em ambas as amostras.
Os valores calculados que estão apresentados na Tabela 5 demonstram que as dimensões dos grãos de Carbeto de Tungstênio (WC) das amostras do estudo de Norgren Et, al (2009) [8] e da lâmina circular para corte de papel são muito semelhantes. A média do comprimento dos grãos analisados no estudo de Norgren [8] foi de 2,39 µm, enquanto a média da lâmina circular foi de 2,27 µm.
Com os resultados encontrados foi possível comprovar que o ensaio de dureza Vickers realizado na amostra da lâmina circular, que encontrou uma média de 3.092,8 HV, não está condizente com a literatura. Um resultado provável se aproximaria de 1.475 HV, já que tanto os percentuais atômicos, quanto de massa e também as dimensões do grão estão semelhantes aos encontrados no estudo de Norgren, et, al (2009) [8].
Uma possível explicação para esse resultado não condizente estaria na falta da calibração do durômetro, que deveria ser realizado antes do ensaio. A espessura muito fina do substrato também pode estar ligada ao erro de medição encontrado.
4. CONCLUSÕES
Este trabalho teve como objetivo realizar a caracterização de uma lâmina circular para corte de papel quanto a sua composição química e dureza, e tem como principais conclusões os itens descritos a seguir:
• O cálculo de densidade da lâmina de corte obteve o valor de 14,47 g/cm³, o que indica que o material possivelmente é um composto de carboneto de Tungstênio (WC) com adição de Cromo (Cr);
• Os testes de caracterização microestrutural via MEV mostram uma composição homogênea entre os grãos de WC no tamanho de 2,27 µm em média, e um percentual baixo da fase ligante, realizada possivelmente pelo elemento Cobalto (Co);
• O ensaio por EDS verificou que a lâmina possui um percentual médio em massa de mais de 85% de Tungstênio, 8% de Cobalto e 2% de Carbono em sua composição, o que demonstra que o material se trata de um Carbeto de Tungstênio (WC);
• A análise de dureza mostrou valores acima do esperado comparado ao estudo de Norgren, et, al (2009), mas é possível verificar que a lâmina é, provavelmente, um composto sinterizado com alto grau de dureza.
Sendo assim, pode-se indicar que o material da lâmina possivelmente foi obtido por sinterização, a partir da mistura do pó de Carbeto de Tungstênio (WC) com adição do elemento Cromo (Cr), com o ligante sendo o elemento Cobalto (Co).
Pode-se afirmar também que o estudo cumpriu seu objetivo de realizar uma análise didática profunda da lâmina para corte de papel, demonstrando suas características e avaliando a importância do conhecimento das variáveis envolvidas no processo de produção do material.
5. AGRADECIMENTOS
O presente trabalho foi realizado com o apoio da Capes, entidade do governo brasileiro focada na formação de recursos humanos. Os autores também agradecem ao apoio financeiro de agências brasileiras: CNPq e Fapergs.
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