Shot peening é um processo de reforço de superfície relativamente simples em comparação com outros métodos de modificação de superfície, mas seus efeitos são significativos. É usado em diversos setores, incluindo aeroespacial, locomotivas, automóveis e outros.
O princípio por trás do shot peening envolve o uso de projéteis para impactar o material, criando pequenos buracos na superfície e causando deformação plástica. Isso resulta em tensão residual na superfície do metal. Os grãos de cristal comprimidos sob a superfície devem ser restaurados à sua forma original, o que cria uma camada de tensão compressiva residual uniforme que fortalece a superfície do material.
Como resultado do shot peening, a camada superficial do material sofre alterações estruturais. Os grãos tornam-se mais finos, a densidade de discordância e a distorção da rede aumentam e uma alta tensão de compressão residual é formada. Essa tensão residual melhora significativamente a resistência à fadiga e a vida em fadiga do material, bem como sua resistência, dureza, resistência à corrosão sob tensão e propriedades de oxidação em alta temperatura.
I. Materiais para teste
O teste utilizou peças em formato de barril feitas de liga de alumínio 2A14, um material conhecido por sua alta resistência, boa resistência ao calor, boa usinabilidade e bom desempenho de soldagem elétrica e costura de soldagem. A composição específica deste material é mostrada na Tabela 1.
Tabela 1 Composição química da liga de alumínio 2A14
| Elemento | Si | Cu | mg | Zn | Mn | Ti | Não | Al |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ingrediente | 0,6-1,2 | 3,9-4,8 | 0,4-0,8 | ≤0,3 | 0,4-1,0 | ≤0,15 | ≤0,1 | outros |
As peças em forma de barril de liga de alumínio 2A14 foram divididas em quatro grupos (ver Figura 1),
- o 1º grupo de valores de rugosidade superficial: Ra = 0,30-0,65 μm;
- o 2º grupo de valores de rugosidade superficial: Ra = 2,20-4,71 μm;
- o 3º grupo de valores de rugosidade superficial: Ra = 6,5-7,1 μm;
- o 4º grupo de valores de rugosidade superficial: Ra = 1,40-1,75 μm.
(a) O 1º grupo
(b) O 2º grupo
(c) O 3º grupo
（d） O 4º grupo
Fig.1 Peças antes do shot peening
O teste foi realizado usando uma máquina de jateamento pneumático SP1200 G4, e seu princípio de funcionamento é mostrado na Figura 2. A granalha de plástico reforçado com fibra de vidro foi absorvida no bico de alta pressão sob pressão negativa e, em seguida, a granalha foi impulsionada para a superfície da peça sob alta pressão.
Os pellets de jateamento utilizados no teste foram feitos de pellets de vidro com a especificação AGB70 e atenderam ao padrão AMS 2431/6. Sua aparência é mostrada na Figura 3.
Fig.2 Tratamento de shot peening
Fig.3 Pelotas de vidro
A resistência do shot peening foi verificada usando um ferramental de fabricação própria, que está representado na Figura 4. A base padrão para verificação do corpo de prova ALMEN foi firmemente fixada ao ferramental de fabricação própria com parafusos, e o corpo de prova padrão ALMEN foi fixado na base padrão.
A peça de teste padrão ALMEN estava em conformidade com os requisitos dos documentos SAE J 442 e AMS 2431/2. Um mínimo de quatro testes foram realizados para atender ao requisito.
Fig.4 Dispositivo de trabalho caseiro
II. Método de teste
1. Seleção da pressão de shot peening e fluxo de tiro
Durante o processo de shot peening, os projéteis são impulsionados sobre a superfície do material com uma certa energia cinética, formando um fluxo regular sob uma pressão de ar específica. A velocidade e a força de impacto dos projéteis são determinadas pela pressão do ar, enquanto o grau de deformação plástica do material é determinado pela força do shot peening.
A curva de saturação é traçada e o ponto de saturação é determinado através da verificação do corpo de prova ALMEN, permitindo a determinação da correspondente resistência ao shot peening. Ao determinar a pressão do fluxo de ar, é aconselhável utilizar uma pressão mais baixa para reduzir o desgaste da superfície do material.
A vazão do projétil, que é o número de projéteis ejetados por unidade de tempo, está relacionada à pressão do fluxo de ar. Uma pressão de fluxo de ar baixa deve corresponder a uma taxa de fluxo mais baixa. Neste caso, foi selecionada uma pressão de fluxo de ar de 0,5×105Pa, resultando em uma vazão de projétil de 3kg/min.
Ajustando a velocidade de movimento para cima e para baixo da pistola de pintura, diferentes forças de shot peening podem ser alcançadas. Com a velocidade de movimento da pistola ajustada para 300mm/min, 600mm/min e 900mm/min, foram obtidas peças com resistências de shot peening de 0,35mm (A), 0,31mm (A) e 0,27mm (A), respectivamente.
2. Determinação do tempo de shot peening e detecção de cobertura
O tempo de shot peening é determinado pelo tempo de saturação da peça de teste ALMEN. Porém, o tempo necessário para atingir 100% de cobertura na superfície da peça pode ser utilizado como referência com base no tempo de saturação do corpo de prova.
A equação de Avrami, que se baseia em estatísticas aleatórias para cobertura média, assume que a velocidade de chegada das partículas é consistente. A equação é a seguinte:
Na fórmula,
- C é a cobertura (%);
- n é o índice de Avramy;
- r é o raio do dente;
- R é a velocidade média de formação do amassado;
- t é o tempo necessário para formar o dente.
De acordo com a equação de Avrami, a taxa de cobertura aproxima-se dos 100% mas é teoricamente impossível atingir os 100%. O tempo necessário para atingir a cobertura final de 10% é 1,5 vezes maior que o tempo necessário para a cobertura inicial de 90%. O tempo de shot peening necessário para atingir o último 1% de cobertura será responsável por aproximadamente 20% do tempo total, e o tempo necessário para os últimos 2% de cobertura será de quase 40% do tempo total. No caso de cobertura de 99%, 85% das posições foram atingidas pelo menos duas vezes e 50% foram atingidas cinco ou mais vezes.
Normalmente, se a taxa de cobertura atingir 98%, é considerada igual a 100% de cobertura. No entanto, atingir 100% de cobertura pode resultar em shot peening excessivo. Controlar a taxa de cobertura em 98% reduzirá significativamente o tempo de shot peening.
A equação de Avrami afirma que o raio do poço é igual ao raio do projétil e a velocidade média de formação do poço é aproximadamente a velocidade do jato. O tempo necessário para atingir 100% de cobertura é de 20 minutos.
A cobertura da superfície é medida usando o método de fluorescência. Antes do shot peening, uma camada de agente fluorescente é aplicada na superfície da peça e ela é iluminada sob luz negra para garantir cobertura completa. Em seguida, as peças são jateadas. Após o shot peening, as peças são novamente iluminadas sob luz negra e, se houver pouca ou nenhuma fluorescência, a cobertura é considerada 100%. O processo específico é ilustrado na Figura 5.
(a) Efeito do revestimento fluorescente na superfície das peças
(b) Peças antes do shot peening
(c) O efeito parcial após o jateamento
Figura 5 Processo de teste de cobertura pelo método de fluorescência.
Depois de selecionar uma peça, sua topografia superficial após o jateamento foi inspecionada posteriormente, conforme mostrado na Figura 6. As Figuras 6a e 6b mostram que as crateras do pellet estão distribuídas uniformemente pela superfície da peça, o que indica que nenhuma superfície foi perdida, consistente com a fluorescência resultados do teste de cobertura. Após a ampliação, conforme mostrado na Figura 6c, não houve fissuras na superfície e formou-se uma camada reforçada mais densa.
(a)
(b)
(c)
Fig. 6 Morfologia da superfície após shot peening do barril de alumínio
III. Sanálise de rugosidade superficial
Uma ponta de diamante com raio de curvatura da ponta de aproximadamente 2 μm é usada para medir a rugosidade da superfície. O movimento para cima e para baixo da caneta é convertido em um sinal elétrico por um sensor elétrico de comprimento. Após amplificação, filtragem e cálculo, o valor da rugosidade da superfície é exibido em um medidor e avaliado usando o valor Ra.
A rugosidade superficial da liga de alumínio 2A14 foi testada usando um medidor de rugosidade, e a rugosidade antes e depois do shot peening foi medida, conforme mostrado na Tabela 2. Quando o valor da rugosidade superficial da peça não shot peening é baixo, ele começa a aumentar após shot peening. Isso ocorre porque a dureza superficial da peça não é muito alta, a superfície é relativamente uniforme e a energia de impacto gerada pelos projéteis é irregular, levando à formação de buracos maiores na superfície relativamente plana, causando um aumento na rugosidade superficial valor.
No entanto, quando o valor da rugosidade superficial da peça granalhada é alto, a superfície já é heterogênea e irregular. A velocidade uniforme dos projéteis causa deformação plástica da superfície, o que na verdade alisa a superfície áspera e irregular.
Tabela 2 Efeito do processo de shot peening na rugosidade superficial da liga de alumínio
| Valor de rugosidade superficial antes do shot peening Ra/μm | 0,35 | 1,47 | 2,60 | 6,70 |
|---|---|---|---|---|
| Valor de rugosidade da superfície após shot peening Ra/μm(Resistência ao shot peening 0,35 mm (A)) | 2.20 | 2,60 | 15h30 | 5,67 |
| Valor de rugosidade superficial antes do shot peening Ra/μm | 0,55 | 1,78 | 2.20 | 6,60 |
| Valor de rugosidade da superfície após shot peening Ra/μm(Resistência ao shot peening 0,31 mm (A)) | 1,96 | 2.10 | 2,80 | 4,96 |
| Valor de rugosidade superficial antes do shot peening Ra/μm | 0,35 | 1,75 | 14h30 | 7h00 |
| Valor de rugosidade da superfície após shot peening Ra/μm(Resistência ao shot peening 0,27 mm (A)) | 1,65 | 1,85 | 2,50 | 4,85 |
A Tabela 2 mostra que, sob diferentes resistências ao shot peening, quanto maior for a resistência produzida pela superfície, maior será o impacto na sua superfície de resistência relativamente baixa. No entanto, a tendência geral do impacto na rugosidade superficial é consistente.
O impacto real do shot peening na superfície da peça depende principalmente da transmissão de energia dos projéteis para a superfície, que é determinada principalmente pela massa e velocidade dos projéteis.
A Figura 7 mostra um diagrama esquemático da direção da força e da aceleração das partículas do projétil.
Figura 7 Força e direção de aceleração da partícula do projétil
De acordo com a segunda lei de Newton, a equação diferencial de um projétil pode ser descrita como:
F é a força de arrasto recebida pelas partículas do projétil, que pode ser expressa como
Na fórmula,
- M é a massa do projétil (kg);
- Cx é o coeficiente de arrasto;
- vG é a velocidade do ar de saída;
- pG é a densidade do ar de saída do bocal (kg/mm3);
- vt é a velocidade do projétil no fluxo de ar de saída do bocal (m/s);
- dé o diâmetro do projétil (mm).
A equação diferencial da partícula do projétil:
Na fórmula,
- t é o(s) tempo(s) que o projétil é pulverizado na superfície processada através do bocal;
- p é a densidade do projétil.
De acordo com a fórmula termodinâmica:
Na fórmula,
- p0 e ρ0 são a densidade sob pressão atmosférica padrão e pressão atmosférica padrão, respectivamente;
- Pe ρG é a densidade sob pressão de trabalho e pressão de trabalho, respectivamente.
A massa do projétil pode ser ignorada e a equação diferencial final para o movimento do projétil é:
Onde c é a constante integral, quando as condições de contorno t=0 e a velocidade do projétil v=0, c=1/vGentão
A partir da fórmula derivada acima, pode-se deduzir que o impacto de vários parâmetros do processo de shot peening no desempenho da superfície pode ser atribuído a:
- A energia cinética do projétil, que está relacionada à velocidade de saída do projétil do bocal, ao tempo que o projétil leva para atingir a superfície da peça e à densidade e frequência dos projéteis.
- Para ter maior controle sobre a rugosidade superficial da peça, é necessário ajustar a velocidade do projétil e o tamanho das partículas disparadas.
- A rugosidade da superfície da peça após o jateamento reflete não apenas a coleção microscópica das características da forma da superfície, mas também a altura máxima do perfil do poço superficial e o controle de superfícies irregulares.
- O efeito do processo de granalhagem na rugosidade da superfície não é determinado apenas pela resistência da granalha, mas também pelo tamanho das partículas da granalha e pela cobertura da superfície, que têm uma relação correspondente.
4. Conclusão
(1) Existem certas superfícies que não podem ser pulverizadas, o que sugere que a cobertura superficial é boa e isenta de fissuras, formando uma camada de reforço relativamente densa.
(2) A força do shot peening do mesmo tipo de projétil pode alterar a rugosidade da superfície da peça dentro de uma faixa específica. Por exemplo:
- Quando o valor da rugosidade da superfície está entre Ra=0,30-0,65μm, a rugosidade da superfície pode aumentar para Ra=2,2μm.
- Quando o valor da rugosidade da superfície está entre Ra = 1,40-1,75 μm, a rugosidade da superfície após o jateamento permanecerá em torno de Ra = 1,6 μm, que é semelhante à rugosidade da superfície original.
- Quando o valor da rugosidade da superfície está entre Ra=2,8-7,1μm, a rugosidade da superfície pode diminuir para Ra=2,3-6,1μm.
(3) O efeito de vários parâmetros do processo de shot peening no desempenho da camada superficial é derivado da equação diferencial das partículas do projétil e pode ser atribuído a:
- A energia cinética do projétil e a velocidade do fluxo de ar do bocal.
- O tempo que leva para o projétil atingir a superfície da peça.
- A densidade e frequência dos projéteis.
Quanto mais forte o processo de shot peening, maior impacto ele tem na superfície em comparação com processos mais fracos, mas a tendência geral do impacto na rugosidade da superfície permanece inalterada.
