PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA – PPMEC
ALEXANDRE IARTELLI
AVALIAÇÃO DE DEFEITOS TIPO "GOUGE" EM TUBOS DE AÇO
INOX 304L UTILIZADOS NA FABRICAÇÃO DE AGULHAS
HIPODÉRMICAS
São João Del Rei, abril de 2014
ALEXANDRE IARTELLI
AVALIAÇÃO DE DEFEITOS TIPO "GOUGE" EM TUBOS DE AÇO
INOX 304L UTILIZADOS NA FABRICAÇÃO DE AGULHAS
HIPODÉRMICAS
Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado
da Universidade Federal de São João del-Rei,
como requisito para obtenção do título de Mestre
em Engenharia Mecânica.
Área de Concentração: Caracterização e
Propriedades
Mecânicas
dos
Materiais.
Comportamento Mecânico dos Materiais
Orientador: Prof. Dr. Antonio Luiz Ribeiro Sabariz
São João Del Rei, abril de 2014
Dedico à minha esposa Rosi, pelo
grande apoio e puxões de orelha.
AGRADECIMENTOS
Primeiro de tudo, a Deus. Ele me deu forças, sabedoria e vontade, além de
me mostrar que cada dia que passava era sempre mais um passo para a vitória.
A minha família, pelo apoio e incentivo até o último momento. Ao pequeno
Joaquim que, hoje com 3 anos de idade e sem ter a menor idéia do que eu estava
fazendo, sempre quis me ajudar de alguma maneira.
Ao meu grande amigo Anderson Luiz Fernandes, que sempre me apoiou e
me ajudou com informações e amostras da BD, para que eu pudesse fazer meu
trabalho.
Aos colegas da BD, em especial, Sergio Brega, gerente industrial, que me
apoiou e permitiu a realização deste trabalho.
Ao professor Dr. Antonio Luiz Ribeiro Sabariz, que me orientou, me deu
forças e muito incentivo para a conclusão do trabalho, principalmente na etapa final,
quando eu já havia voltado a São Paulo.
Ao colega Jason Fasnacht, que realizou as análises de laboratório. Pelas
conversas que tivemos, compartilhando conhecimentos importantes para o trabalho.
Para todos aqueles que contribuíram direta e indiretamente na realização
deste trabalho.
RESUMO
IARTELLI, A. Avaliação de defeitos tipo "GOUGE" em tubos de aço INOX 304L
utilizados na fabricação de agulhas hipodérmicas. Dissertação (Mestrado), 94
pág. Universidade Federal de São João del-Rei, São João del-Rei, 2014.
Agulhas hipodérmicas são componentes utilizados na fabricação de dispositivos
médicos. São usadas na passagem de fluidos fármacos ou para qualquer outra
finalidade. Estas são produzidas a partir de uma tira laminada em tubos e
posteriormente soldadas. Esse material é trefilado e recozido para, então, ser
cortado, apontado e limpo. Comumente utilizada a liga em Aço Inoxidável 304L por
conter baixos teores de Carbono e ser predominantemente austenítica, o que
impossibilita muito a corrosão.
No presente trabalho foram realizadas caracterizações de um defeito chamado
“GOUGE”, a qual assemelha-se com um arranhado, na superfície do material. Para
tanto, utilizou-se microscopia de varredura, com imagens e análises por elétrons
secundários (SE), elétrons retroespalhados (BSE) e espectroscopia de energia
dispersiva (EDS). Os resultados permitiram dar um direcionamento para a possível
causa do problema. Lembrando que até o momento não foram encontrados
trabalhos ou artigos relacionados ao assunto, na literatura.
De posse destes resultados, viu-se que diversas etapas de produção podem ser
descartadas como causadoras do defeito. Dentre elas, a soldagem, trefilação sem
recozimento e etapas finais de fabricação, como corte e limpeza. A trefilação com
recozimento, que é a etapa onde o material sofre mais transformações metalúrgicas
e mecânicas, revelou-se com um forte potencial para origem do defeito.
Palavras Chave: GOUGE, Aços Inoxidáveis Austeníticos, Trefilação, Cânulas
ABSTRACT
IARTELLI, A. Evaluation of type " GOUGE " defects in steel pipes INOX 304L
used in the manufacture of hypodermic needles. Dissertation (Masters), 94 p.
Federal University of São João del Rei, São João del Rei, 2014.
Hypodermic needles are materials used in the manufacture of medical devices. They
are used in the passage of fluids or drugs, for any purpose. These small tubes are
made of stainless steel, Alloy 304L, produced from a strip-rolled and then welded
tubes. This material is drawn and annealed to then be cut, appointed and clean. It is
used in the alloy 304L Stainless Steel to contain low levels of carbon and be
predominantly austenitic, which inhibits too much the corrosion.
In this work, characterization of a defect called "GOUGE", which resembles to a
scratched surface of the material, was performed. For this, we used scanning
electron microscopy, with images and analyzes by secondary electrons (SE),
backscattered electrons (BSE) and energy dispersive spectroscopy (EDS). The
results allowed giving a direction to the possible cause of the problem. Recalling
that, so far, no studies or related to the subject articles were found in the literature.
Using these results, it was seen that different stages of production can be ruled out
as the cause of the defect. Among them, welding, tube drawing without annealing
and final manufacturing steps, such as cutting and cleaning. The tube drawing with
annealing, which is the stage where the material undergoes further metallurgical and
mechanical transformations, it proved with a strong potential for origin of the defect.
Key words: GOUGE, Austenitic Stainless Steels, Drawing, Cannula.
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 –
Foto de uma máquina de formar tubos........................................
4
Figura 2.2 –
Foto de uma bobina de aço no desbobinador..............................
5
Figura 2.3 –
Foto de uma sequência de rolos de formação.............................
5
Figura 2.4 –
Foto da câmara de soldagem de tubos........................................
6
Figura 2.5 –
Foto da cadeira de rolos alinhadores...........................................
6
Figura 2.6 –
Foto da bobinadeira.....................................................................
6
Figura 2.7 –
Foto das máquinas de trefilação e da caixa de fieiras.................
7
Figura 2.8 –
Detalhe da entrada e saída de fornos de recozimento brilhante.
8
Figura 2.9 –
Detalhe ao fundo de uma máquina de trefilação “Sink”...............
8
Figura 2.10 – Tipos de seringas.........................................................................
10
Figura 2.11 – Componentes de uma agulha......................................................
10
Figura 2.12 – Agulha peridural...........................................................................
11
Figura 2.13 – Agulha raquidiana........................................................................
11
Figura 2.14 – Cânula de traqueostomia.............................................................
12
Figura 2.15 – Cateter intravenoso periférico......................................................
12
Figura 2.16 – Cateter intravenoso central...........................................................
13
Figura 2.17 – Órteses.......................................................................................... 13
Figura 2.18 – Próteses........................................................................................
14
Figura 2.19 – Materiais Especiais. Grampeador cirúrgico..................................
14
Figura 2.20 – Sínteses........................................................................................
14
Figura 2.21 – Prótese de fêmur, haste em titânio (Ti90/Al6/Va4) com cabeça
de alumina (AL2O3).....................................................................
16
Figura 2.22 – Placas de sistema absorvível - copolímero lacticoglicólico 8218% utilizadas em cirurgia craniofacial........................................
16
Figura 2.23 – Parafusos em material bioativo....................................................
17
Figura 2.24 – Diferentes tipos de aços inoxidáveis a partir da modificação do
aço 304.........................................................................................
20
Figura 2.25 – Tipos de materiais utilizados como biomateriais..........................
21
Figura 2.26 – Diagrama de Schaeffler................................................................
23
Figura 2.27 – Esquema de formação de um tubo..............................................
24
Figura 2.28 – Interligação entre as variáveis significativas no processo de
conformação.................................................................................
25
Figura 2.29 – Distribuição das tensões na espessura da chapa sob carga.....
27
Figura 2.30 – Processo de Soldagem TIG.........................................................
28
Figura 2.31 – Perfil da ponta do eletrodo...........................................................
30
Figura 2.32 – Diferentes zonas de uma junta soldada.......................................
31
Figura 2.33 – Mecânica da trefilação.................................................................
32
Figura 2.34 – Representação das superfícies vistas ao microscópio................
33
Figura 2.35 – Representação das regiões da fieira: a) cone de entrada, b)
cone de trabalho, c) cilindro de calibração e d) cone de saída....
33
Figura 2.36 – Representação dos semi-ângulos dos cones e da altura e
diâmetro do cilindro de calibração................................................
34
Figura 3.1 –
Tubo soldado................................................................................
39
Figura 3.2 –
Tubo mufla....................................................................................
40
Figura 3.3 –
Cânulas.........................................................................................
41
Figura 3.4 –
Foto do microscópio eletrônico de varredura................................ 42
Figura 4.1 –
Diagrama de Schaeffler com a representação de Creq e Nieq,
para as composições...................................................................
44
Figura 4.2 –
Fotos da superfície interna do tubo mufla (a, b)...........................
45
Figura 4.3 –
Imagens por elétrons retroespalhados da superfície interna do
tubo mufla. Aumento de 2000x (a) e 1500x (b)............................
Figura 4.4 –
Imagens por elétrons retroespalhados da superfície interna do
tubo mufla. Aumento de 2000x (a) e 5000x (b)............................
Figura 4.5 –
45
46
Imagem por elétrons retroespalhados da superfície do tubo
mufla. Aumento de 2000x.............................................................
46
Figura 4.6 –
Espectometria de raios X..............................................................
47
Figura 4.7 –
Mapeamento por pontos dos elementos do tubo mufla Cr (a) e
Si (b). Aumento de 2000x.............................................................
Figura 4.8 –
Mapeamento por pontos dos elementos do tubo mufla Fe (a), O
(b) e Ni (c). Aumento de 2000x.....................................................
Figura 4.9 –
47
48
Imagem por elétrons retroespalhados da superfície do tubo 48
ix
mufla (área 2). Aumento de 5000x...............................................
Figura 4.10 – Espectometria
de
raios
X
dos
elementos
do
tubo
mufla.............................................................................................
Figura 4.11–
49
Mapeamento por pontos dos elementos do tubo mufla Ni (a) e
Cr (b). Aumento de 5000x............................................................. 49
Figura 4.12 – Mapeamento por pontos dos elementos do tubo mufla Fe (a), O
(b) e Si (c). Aumento de 5000x.....................................................
50
Figura 4.13 – Superfície interna do tubo mufla. Aumento 1000x........................
51
Figura 4.14 – Superfície interna do tubo mufla. Aumento 1000x........................
51
Figura 4.15 – Espectometria de raios X do ponto #1.......................................... 51
Figura 4.16 – Espectometria de raios X do ponto #2..........................................
52
Figura 4.17 – Espectometria de raios X do ponto #3..........................................
52
Figura 4.18 – Espectometria de raios X do ponto #4..........................................
53
Figura 4.19 – Espectometria de raios X do ponto #5..........................................
53
Figura 4.20 – Mapeamento por pontos dos elementos do tubo mufla Cr (a) e
O (b). Aumento de 1000x.............................................................. 54
Figura 4.21 – Mapeamento por pontos dos elementos C (a), Si (b) e Ni (c), do
tubo mufla. Aumento de 1000x.....................................................
Figura 4.22 – Imagem
por
elétrons
retroespalhados
(a),
por
54
elétrons
secundários (b) da superfície interna do tubo mufla. Aumento
500x..............................................................................................
55
Figura 4.23 – Mapeamento por pontos dos elementos da superfície do tubo,
do elementos Ni (a) e Fe (b). Aumento 500x................................
55
Figura 4.24 – Mapeamento por pontos dos elementos da superfície do tubo,
dos elementos Cr (a) e C (b). Aumento 500x...............................
56
Figura 4.25 – Mapeamento por pontos dos elementos da superfície do tubo,
dos elementos O (a) e N (b). Aumento 500x................................
56
Figura 4.26 – Imagem por elétrons retroespalhados da superfície interna do
tubo mufla. Aumento 1000x..........................................................
57
Figura 4.27 – Mapeamento por pontos dos elementos da superfície do tubo,
dos elementos Ni (a) e O (b). Aumento 1000x.............................
57
Figura 4.28 – Mapeamento por pontos dos elementos da superfície do tubo,
dos elementos C (a), Cr (b) e Fe (c). Aumento 1000x..................
58
Figura 4.29 – Superfície interna do tubo mufla com material embutido.
Aumento 100x...............................................................................
59
Figura 4.30 – Superfície interna do tubo mufla com material embutido.
Aumento 500x (a) e 2500x (b)......................................................
59
Figura 4.31 – Mapeamento por pontos da região com material embutido, para
os elementos Chumbo (a) e Cloro (b). Aumento de 2500x..........
60
Figura 4.32 – Mapeamento por pontos da região com material embutido, para
os elementos Sódio (a) e Oxigênio (b). Aumento de 2500x.........
60
Figura 4.33 – Espectometria de raios X do material embutido...........................
60
Figura 4.34 – BSD com 1000x (a) e 2500x (b) da região com material
embutido e com alta concentração de CrO..................................
61
Figura 4.35 – Mapeamento por pontos de Cr (a) e Cl (b), da região com
material embutido. Aumento de 2500x.........................................
61
Figura 4.36 – Mapeamento por pontos de O (a) e Si (b), da região com
material embutido. Aumento de 2500x.........................................
62
Figura 4.37 – Espectroscopia de raios X da região com material embutido e
com alta concentração de CrO.....................................................
62
Figura 4.38 – Superfície externa do tubo soldado. Aumento de 125x................
63
Figura 4.39 – Superfície externa do tubo soldado. Aumento de 250x (a,b)........ 63
Figura 4.40 – Superfície externa da cânula 25x9 PF #1 com detalhe para a
região com Gouge. Aumento de 100x (a) e 250x (b).................... 64
Figura 4.41 – Superfície externa da cânula 25x9 PF #1 com detalhe para a
região com Gouge. Aumento de 100x (a) e 250x (b).................... 64
Figura 4.42 – Espectroscopia da cânula 25x9 PF #1 na região com material
embutido.......................................................................................
65
Figura 4.43 – Imagem por elétrons retroespalhados da partícula embutida na
cânula 25x9 PF #1........................................................................
65
Figura 4.44 – Mapeamento por pontos dos elementos Ni (a) e Cr (b).
Aumento de 2500x........................................................................
66
Figura 4.45 – Partícula embutida na cânula 25x9 PF #2. Aumento de 100x (a)
e 1000x (b)....................................................................................
66
Figura 4.46 – Cânula 25x9 PF #2 com fendas. Aumento de 100x (a) e 1000x
(b).................................................................................................. 67
Figura 4.47 – Cânula 25x9 PF #2 com fendas. Aumento de 100x (a) e 1000x
(b).................................................................................................. 67
Figura 4.48 – Cânula 25x9 PF #3 com longas fendas. Aumento de 100x (a) e
1000x (b).......................................................................................
67
Figura 4.49 – Cânula 25x9 PF #5 com fendas profundas. Sem material
embutido. Aumento de 100x (a) e 1000x (b)................................
68
Figura 4.50 – Cânula 25x9 PF #4 com fendas/rachados. Com material
embutido. Aumento de 100x (a) e 1000x (b)................................
68
Figura 4.51 – Cânula 25x9 PF #4 com fendas/rachados. Com material
embutido.......................................................................................
69
Figura 4.52 – Cânula 25x9 PF #4 com fendas/rachados. Mapeamento por
pontos de Fe (a), O (b), C (c) e Si (d) da partícula.......................
69
Figura 4.53 – Cânula 25x9 PF #4. Espectroscopia por raios X da fase escura.
70
Figura 4.54 – Cânula 25x9 PF #4. Espectroscopia por raios X da fase branca.
70
Figura 4.55 – Cânula 30x7 PF #2 com fendas/rachados. Sem material
embutido. Aumento de 100x (a) e 1000x (b)................................
71
Figura 4.56 – Cânula 30x7 PF #3 com fendas/rachados. Com material
embutido. Aumento de 100x (a) e 1000x (b)................................
71
Figura 4.57 – Cânula 30x7 PF #4 com fendas/rachados. Aparência de
arranhado. Aumento de 100x (a) e 1000x (b)...............................
72
Figura 4.58 – Cânula 30x7 PF #1 com fendas/rachados. Grande partícula
encravada. Aumento de 100x (a) e 1000x (b)..............................
72
Figura 4.59 – Espectografia por raios X da partícula na Cânula 30x7 PF #1.....
73
Figura 4.60 – Espectrografia por raios X do material base da Cânula 30x7 PF
#1..................................................................................................
73
Figura 4.61 – Cânula 30x7 PF #5 com partícula encravada. Aumento de 100x
(a) e 1000x (b)............................................................................... 74
Figura 4.62 – Espectrografia por raios X do material base da Cânula 30x7 PF
#5..................................................................................................
74
Figura 4.63 – Imagem por elétrons retroespalhados da partícula da cânula
30x7 PF #5.................................................................................... 75
Figura 4.64 – Mapeamento por pontos da partícula da cânula 30x7 PF #5
para o Ni (a) e Fe (b)..................................................................... 75
Figura 4.65 – Cânula 30x7 PF #5 com fendas/rachados. Análises por BSE (b)
e EDS (a, c, d, e, f, g) com dot map. Aumento de 1000x.............
76
Figura 4.66 – Cânula 34x6 PF #1 com fendas/rachados. Aumento de 100x (a)
e 1000x (b)....................................................................................
76
Figura 4.67 – Cânula 34x6 PF #1 com defeito. Aumento de 100x (a) e 1000x
(b).................................................................................................. 77
Figura 4.68 – Cânula 34x6 PF #2 com rachados e presença de partícula.
Aumento de 100x (a) e 1000x (b).................................................
77
Figura 4.69 – Cânula 34x6 PF #3 com rachados e presença de partícula.
Aumento de 100x (a) e 1000x (b).................................................
Figura 4.70 – Cânula 34x6 PF #5
78
com defeitos. Aumento de 100x (a) e
1000x (b).......................................................................................
78
Figura 4.71 – Cânula 34x6 PF #5 com rachados e presença de partícula.
Aumento de 1000x (a) e 2500x (b)...............................................
79
Figura 4.72 – Cânula 34x6 PF #4 com rachados e presença de partícula.
Aumento de 100x (a) e 1000x (b).................................................
79
Figura 4.73 – Cânula 34x6 PF #4 defeito e presença de partícula. Aumento
de 3000x.......................................................................................
80
Figura 4.74 – Espectroscopia da partícula na cânula 34x6 PF #4...................... 80
Figura 4.75 – Mapeamento por pontos de Fe (a) e Cr (b) da cânula 34x6 PF
#4..................................................................................................
80
Figura 4.76 – Mapeamento por pontos de N (a) e Fe (b) e O (c) da cânula
34x6 PF #4.................................................................................... 81
Figura 4.77 – Seção transversal da cânula 25x9 PF #2 com Gouge. Aumento
de 250x (a) e 1000x (b)................................................................. 82
Figura 4.78 – Seção transversal da cânula 25x9 PF #2 com Gouge. Detalhe
para a região da solda. Aumento de 250x (a) e 1000x (b,
c)...................................................................................................
83
Figura 4.79 – Seção transversal da cânula 25x9 PF #4 com Gouge. Detalhe
para a protuberância interna. Aumento de 250x (a) e 1000x (b)..
83
Figura 4.80 – Seção transversal da cânula 25x9 PF #4 com Gouge. Detalhe
para a protuberância interna dimensionada. Aumento de 250x
(a) e 1000x (b, c)........................................................................... 84
Figura 4.81 – Seção transversal da cânula 30x7 PF #5 com Gouge e material
encravado. Aumento de 300x (a), 1000x (b) e 2500x (c).............
85
Figura 4.82 – Imagem por elétrons retroespalhados da cânula 30x7 PF #5
com Gouge e material encravado com aumento de 2500x..........
85
Figura 4.83 – Espectroscopia de raios X da cânula 30x7 PF #5........................
86
Figura 4.84 – Mapeamento por pontos dos elementos Níquel (a) e Cromo (b)
da cânula 30x7 PF #5. Aumento de 2500x...................................
86
Figura 4.85 – Mapeamento por pontos dos elementos Ferro (a) e Oxigênio (b)
da cânula 30x7 PF #5. Aumento de 2500x...................................
87
Figura 4.86 – Seção transversal da cânula 30x7 PF #2 com Gouge. Aumento
de 300x (a) e 1000x (b)................................................................. 87
Figura 4.87 – Seção transversal da cânula 30x7 PF #2 com Gouge. Detalhe
para a protuberância interna e do cordão de solda. Aumento de
300x (a) e 1000x...........................................................................
88
Figura 4.88 – Seção transversal da cânula 34x6 PF #4 com Gouge. Detalhe
para a protuberância interna. Aumento de 300x (a) e 1000x (b)..
89
Figura 4.89 – Cânula 34x6 PF #4 com Gouge. Seção transversal. Detalhe
para a região da solda. Aumento de 300x (a) e 1000x (b, c)........ 89
Figura 4.90 – Cânula 34x6 PF #1 com Gouge. Seção transversal. Aumento
de 275x (a) e 1000x (b)................................................................. 90
Figura 4.91 – Cânula 34x6 PF #1 com Gouge. Seção transversal. Detalhe
para a região da solda. Aumento de 275x (a) e 1000x (b)...........
90
Figura 4.92 – Cânula 34x6 PF #5 com Gouge. Seção transversal. Aumento
de 275x (a) e 1000x (b)................................................................. 91
Figura 4.93 – Cânula 34x6 PF #5 com Gouge. Seção transversal. Detalhe
para a região da solda. Aumento de 275x (a) e 1000x (b)...........
91
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Porcentagens de redução por passe de trefilação........................
7
Tabela 2.2 – Diâmetros de um tubo trefilado na “Sink”.......................................
9
Tabela 2.3 – Teores em % de massa, dos principais constituintes dos aços
inoxidáveis...................................................................................... 19
Tabela 2.4 – Variáveis mais significativas no processo de conformação.........
26
Tabela 3.1 – Dimensões do tubo........................................................................
37
Tabela 3.2 – Tipos de aço inoxidável para tubos................................................ 38
Tabela 3.3 – Composição química para o aço inoxidável 304L.......................... 38
Tabela 3.4 – Dimensões dos materiais analisados............................................. 39
Tabela 3.5 – Parâmetros de regulagem da máquina de solda...........................
39
Tabela 3.6 – Composição química do tubo mufla...............................................
40
Tabela 3.7 – Valores de referência para diâmetro externo da cânula................
41
Tabela 3.8 – Valores encontrados durante a produção......................................
42
Tabela 4.1 – Composições
químicas
dos
materiais
utilizados
no
experimento.................................................................................... 43
Tabela 4.2 – Comparativo das composições químicas com a norma ISO/TR
15510:1997....................................................................................
43
Tabela 4.3 – Valores para Creq e Nieq calculados, bem como a relação
Creq/Nieq.......................................................................................
44
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
Sigla
Português
Inglês
A
Ampére
Ampere
AISI
Al
Instituto Americano de Ferro e
Aço
American Iron and Steel Institute
Alumínio
Aluminum
Agência Nacional de Vigilância
National Health Surveillance
Sanitária
Agency
ASM
Sociedade Americana de Metais
American Society for Metals
BSE
Elétrons Retroespalhados
Backscattered Electrons
C
Carbono
Carbon
Co
Cobalto
Cobalt
Cr
Cromo
Chrome
Creq
Cromo equivalente
Equivalent Chromium
CrO
Óxido de cromo
Chromium Oxide
Cu
Cobre
Copper
ANVISA
EDS
Espectroscopia de Energia
Dispersiva
Energy Dispersive Spectroscopy
ES
Elétrons Secundários
Secondary electrons
GTAW
Soldagem TIG
Gas Tungsten Arc Welding
H2
Hidrogênio (gás)
Hydrogen (gas)
HAp
Hidroxiapatita
Hydroxyapatite
Organização Internacional para
International Standardization
Padronização / Relatório Técnico
Organization/Technical Report
Kg
Quilo
Kilogram
l
Litro
Liter
L
Baixo
Low
LE
Limite de Escoamento
Yield Strength
Máx
Máximo
Maximum
Mín
Mínimo
Minimum
Min
Minuto
Minute
mm
Milímetro
Millimeter
ISO/TR
Mn
Manganês
Manganese
Mo
Molibdênio
Molybdenum
N
Nitrogênio
Nitrogen
N2
Nitrogênio (gás)
Nitrogen (gas)
NaCl
Cloreto de sódio
Sodium chloride
Nb
Nióbio
Niobium
NBR
Norma Brasileira
Brazilian Standard
Ni
Níquel
Nickel
Nieq
Níquel equivalente
Equivalent Nickel
O
Oxigênio
Oxygen
ºC
Graus Celsius
Celsius degrees
Órtese, Prótese, Material
Orthosis, Prosthesis, Special
Especial, Síntese
Material, Synthesis
P
Fósforo
Phosphorus
Pb
Chumbo
Lead
PbCl3
Cloreto de Chumbo
Lead chloride
PF
Parede fina
Thin wall
PGA
Poli Ácido Glicólico
Poly Glycolic Acid
PLA
Poli Ácido láctico
Poly Lactic Acid
R$
Reais
Real
OPMES
RDC
RM
SEM
Resolução da Diretoria
Colegiada
Ressonância Magnética
Microscópio eletrônico de
varredura
Board Resolution
Magnetic Resonance Imaging
Scanning electron microscope
Si
Silício
Silicon
Ti
Titânio
Titanium
Va
Vanádio
Vanadium
X-ray
Raio X
X-radiation
ZF
Zona de fusão
Melting Zone
ZTA
Zona termicamente afetada
Heat affected zone
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO..............................................................................................
1
2. CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE O PROCESSO DE FABRICAÇÃO
DE CÂNULAS...............................................................................................
2.1
2.2.
Fabricação de cânulas..................................................................
4
2.1.1. Formar e soldar...................................................................
4
2.1.2. Trefilação e Recozimento...................................................
7
2.1.3. Trefilação final.....................................................................
8
Materiais médico-hospitalares.......................................................
9
2.2.1. Seringas..............................................................................
9
2.2.2. Agulhas...............................................................................
10
2.2.3. Agulhas para anestesia......................................................
10
2.2.3.1.
Anestesia peridural........................................
10
2.2.3.2.
Anestesia raquidiana.....................................
11
2.2.4. Cânulas...............................................................................
11
2.2.5. Cateter................................................................................
12
2.2.5.1.
Cateter intravenoso periférico (punção)........
12
2.2.5.2.
Cateter intravenoso central............................
13
2.2.5.3.
OPMES..........................................................
13
2.2.6. Biomateriais........................................................................
15
2.2.6.1.
Bioinertes.......................................................
15
2.2.6.2.
Reabsorvíveis................................................
16
2.2.6.3.
Bioativos........................................................
17
2.2.7. Materiais metálicos utilizados como biomateriais...............
17
2.2.7.1.
Titânio e suas ligas........................................
17
2.2.7.2.
Ligas de Cobalto............................................
18
2.2.8. Aços inoxidáveis.................................................................
18
2.2.8.1.
2.3.
4
Aços inoxidáveis Austeníticos.......................
21
Fabricação de tubos com costura.................................................
24
2.3.1. Variáveis na conformação..................................................
25
2.3.2. Soldagem............................................................................
28
2.3.2.1.
Variáveis do processo...................................
28
2.3.2.2.
Efeito da Solda na Microestrutura.................
30
Trefilação.......................................................................................
31
2.4.1. Mecânica da trefilação........................................................
32
2.4.2. Lubrificação.........................................................................
32
2.4.3. Fieiras.................................................................................
33
2.4.4. Recozimento.......................................................................
34
3. MATERIAIS E MÉTODOS............................................................................
37
2.4.
3.1.
Materiais........................................................................................
37
3.1.1. Tubo soldado......................................................................
39
3.1.2. Tubo mufla..........................................................................
40
3.1.3. Cânulas...............................................................................
40
Equipamentos................................................................................
42
3.2.1. Microscópio.........................................................................
42
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES..................................................................
43
3.2.
4.1.
Composição química.....................................................................
43
4.2.
Tubo mufla.....................................................................................
44
4.2.1. Tubo mufla (seção transversal)..........................................
45
4.2.2. Tubo mufla (imagens da superfície com material
embutido).......................................................................................
58
4.3.
Tubo soldado.................................................................................
63
4.4.
Cânula 25x9 PF (parede fina).......................................................
63
4.5.
Cânula 30x7 PF (parede fina).......................................................
70
4.6.
Cânula 34x6 PF (parede fina).......................................................
76
4.7.
Análises em seção tranversal........................................................
81
4.7.1. Cânula 25x9 PF (parede fina).............................................
82
4.7.2. Cânula 30x7 PF (parede fina).............................................
84
4.7.3. Cânula 34x6 PF (parede fina).............................................
88
5. CONCLUSÕES.............................................................................................
92
6. PROPOSTAS PARA TRABALHOS FUTUROS............................................
94
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..............................................................
95
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
Os procedimentos de extração, elaboração e transformação do ferro em aço
sofreram grandes transformações e aperfeiçoamentos durante os últimos cinco
séculos. Apesar de todos os esforços desenvolvidos pelos metalurgistas, o problema
da resistência à corrosão persistia nesses materiais.
No início do século passado, este problema começou a ser resolvido na
Inglaterra com Harry Brearley, com a publicação de dois trabalhos com ligas
resistentes à corrosão, contendo 12,8% de cromo e 0,24% de carbono. Igualmente,
neste período Straub e Maurer desenvolveram aços com 14% cromo e 35% níquel.
No ano de 1912 a empresa Fried Krupp entrou com a patente “Fabricação de
objetos que exigem alta resistência à corrosão”, desta forma nasciam os aços
inoxidáveis austeníticos V2A (V de Versuch, significa experiência, e A de Austenit),
que continham 20% de cromo, 7% de níquel e 0,25% de carbono (PADILHA;
GUEDES, 1994).
Os aços inoxidáveis são classificados em função das fases metalúrgicas
presentes, diferente dos outros materiais que são classificados em função da
composição química. As três principais fases que classificam estes materiais são:
austenita, ferrita e martensita. Desta forma os aços inoxidáveis possuem os
seguintes tipos: Austeníticos, Ferríticos, Martensíticos, Duplex (aproximadamente
50% de austenita e 50% de ferrita) e os Endurecíveis por precipitação - PH’s
(GIRALDO, 2006). Os aços inoxidáveis austeníticos são amplamente utilizados
devido a sua boa resistência à corrosão, resistência mecânica a quente,
trabalhabilidade, soldabilidade e biocompatibilidade para os que possuem baixo teor
de níquel.
A austenita é estável nestes aços a partir da adição de elementos
austenitizantes (carbono, nitrogênio, cobre), merecendo destaque o níquel, que é
adicionado em teores acima de 8%. Os aços inoxidáveis austeníticos possuem boa
ductilidade, tenacidade e elongação durante o ensaio de tração (LIPPOLD, 2005). A
série de aços austeníticos mais utilizada é a 300, baseada no sistema 18Cr-8Ni,
contendo elementos adicionais com a finalidade de promover propriedades
adequadas.
A liga 304 (UNS 30400) é considerada a raiz desta série de aços, e
juntamente com o 304L (UNS 30403), representam os aços inox austeníticos mais
utilizados. O cromo presente nessas ligas entra em contato com o meio externo
oxidante, formando uma fina camada passiva constituída principalmente de Cr 2O3,
que possui estabilidade nas condições atmosféricas. A efetividade desta camada
está vinculada ao teor mínimo de cromo igual a 10,5%. Desta forma, denomina-se
aço inoxidável as ligas Fe-Cr. Fe-Cr-C e Fe-Cr-Ni com teor de cromo pelo menos de
10% a 12% de cromo, que permite a formação da camada passiva (LIPPOLD,
2005).
As agulhas foram idealizadas por Daniel Ferguson em 1853 e modificado por
Wood, para chegar a uma ponta fina, o que facilitou ainda mais a sua penetração
nos tecidos. Seu primeiro anúncio, como o que aconteceu com as seringas, também
foi feita em 1870 pelo Cosmos Dental (EUA), onde foi mencionado que ele foi feito
de "aço temperado", no entanto, não mencionou a seu calibre e tamanho (GIROTTO
apud GLENN & PICCK, 1998).
As agulhas hipodérmicas são materiais feitos em aço inoxidável 304L, com
baixos teores de Carbono, que têm por finalidade a passagem de fluídos. Existem
inúmeros tamanhos de agulhas, que são determinados pela espessura (calibre) do
material e selecionados de acordo com o tipo (viscosidade) do fluido e o calibre da
veia ou artéria que se quer alcançar, entre outros. Como todo material metálico, sua
fabricação é feita por processos metalúrgicos que objetivam atingir as propriedades
para cada tipo de agulha. Dentre elas, temos propriedades mecânicas como
dimensão e resistência, e metalúrgicas, como a estrutura, predominantemente
austenítica.
Durante sua fabricação, um defeito, intitulado “GOUGE” aparece deformando
o material e gerando perdas que vão até os processos finais de produção. Por
exemplo, uma agulha 21G, de dimensões 0,8x40mm, custa em torno de
R$160,00/1000 unidades. O peso para estas 1000 unidades é de 0,120 kg. Em um
levantamento de 6 meses, em 2010, a quantidade de cânulas com GOUGE atingiu
em torno de 1200 kg. Tomando por base o peso e o preço desta cânula como
média, temos quase 10 milhões de cânulas perdidas. Isto em dinheiro representa um
prejuízo de mais de R$1.5 milhões.
Com o intuito de realizar uma caracterização inicial do defeito, diversas
agulhas, além do tubo soldado e do tubo mufla, foram analisadas por microscopia
eletrônica de varredura, com imagens por BSE (elétrons retroespalhados), SE
(elétrons secundários) e espectroscopia de energia dispersiva (EDS). Desta forma,
este trabalho buscará obter informações sobre as possíveis agentes causadores
desta falha nos tubos trefilados e contribuir para redução de impactos ambientas,
isto é, reduzindo as perdas e consumo de energia.
CAPÍTULO 2
CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE O PROCESSO DE
FABRICAÇÃO DE CÂNULAS
Neste capítulo será apresentado, inicialmente, informações sobre o processo
de fabricação de cânulas para, posteriormente ser apresentada a revisão
bibliográfica propriamente dita sobre:

Materiais médico-hospitalares;

Fabricação de tubos com costura;

Trefilação;
2.1 Fabricação de cânulas
2.1.1. Formar e soldar
Cânulas são tubos metálicos feitos de aço inox. São utilizadas principalmente
como veículo de transferência de fluídos (remédios) ao paciente, embora possa ser
utilizada para outros fins médico-hospitalares. O tubo soldado é utilizado como
matéria prima para a fabricação das cânulas. Inicialmente a fabricação se dá com a
formação de um tubo, a partir de uma máquina laminadora, de acordo com a figura
2.1.
Máquina de
formar tubos
Figura 2.1 – Foto de uma máquina de formar tubos (BD, 2011).
A fita de aço, com dimensões especificadas (figura 2.2) está disposta em um
desbobinador. Ela é direcionada a uma sequencia de rolos de formação que
conformam esta fita em um tubo (figura 2.3). na sequência, o material segue para
uma câmara, onde será soldado.
Figura 2.2 – Foto de uma bobina de aço no desbobinador (BD, 2011).
Figura 2.3 – Foto de uma sequência de rolos de formação (BD, 2011).
Após a conformação do tubo, dar-se-á a soldagem através do processo TIG
(Tungsten Inert Gas). Nesta etapa, o tubo entra em uma câmara com atmosfera
controlada de gás Argônio e um eletrôdo de Tungstênio, provoca a formação de um
arco elétrico onde ocorre a fusão das duas faces da tira metálica (figura 2.4).
Figura 2.4 – Foto da câmara de soldagem de tubos (BD, 2011).
Depois de soldado, o tubo passa por uma cadeira de rolos que servem para
alinhamento do tubo (figura 2.5 e 2.6).
Figura 2.5 – Foto da cadeira de rolos alinhadores (BD, 2011).
Figura 2.6 – Foto da bobinadeira (BD, 2011).
2.1.2. Trefilação e Recozimento
O tubo soldado segue para as máquinas de trefilação onde sofre uma série de
passes para redução de sua seção (figura 2.7). Dependendo do calibre da cânula,
podem haver até 7 passes. Por causa do diâmetro inicial, os primeiros passes
contém um plug interno de metal duro, um pino inserido na parte interna do tubo que
garante que seu diâmetro seja mantido. Normalmente usa-se plug até o 5º passe,
pois o diâmetro muito pequeno do material impossibilita seu uso.
Figura 2.7 – Foto das máquinas de trefilação e da caixa de fieiras (BD, 2011).
A cada passe, o material sofre uma redução de mais de 15%, podendo
chegar a valores de mais de 25%. A tabela 2.1 tem-se as porcentagens de redução
em relação ao diâmetro externo e à espessura de parede que um material sofre ao
ser submetido a 7 passes de trefilação.
Tabela 2.1 – Porcentagens de redução por passe de trefilação (BD, 2011).
DIÂMETRO EXTERNO (mm) - TUBO
1º P
% DE REDUÇÃO POR PASSE
2º P
3º P
4º P
5º P
6º P
7º P
1º P
2º P
3º P
4º P
5º P
6º P
7º P
5,27 4,31
3,45
2,85
2,24
1,70
1,33
23%
18%
20%
17%
21%
24%
22%
ESPESSURA PAREDE (mm)
1º P
2º P
3º P
4º P
5º P
6º P
% DE REDUÇÃO POR PASSE
7º P
1º P
2º P
3º P
4º P
5º P
6º P
7º P
0,38 0,279 0,218 0,155 0,110 0,085 0,075 31%
27%
22%
29%
29%
23%
12%
Por causa da alta taxa de redução, após o primeiro passe, o material é
submetido ao recozimento em um forno com atmosfera controlada por uma mistura
de Hidrogênio e Nitrogênio, proveniente da dissociação da Amônia (figura 2.8).
Figura 2.8 – Detalhe da entrada e saída de fornos de recozimento brilhante (BD, 2011).
2.1.3. Trefilação final
Nesta etapa, o material é submetido a outra sequência de passes em uma
máquina de trefilação chamada “Sink” (figura 2.9). Uma característica deste
processo é que o material sofre todos os passes que são necessários de uma vez
só, pois a máquina possui diversas caixas de fieiras, que permitem a colocação de
até 3 ferramentas.
Figura 2.9 – Detalhe ao fundo de uma máquina de trefilação “Sink” (BD, 2011).
O mesmo material descrito na tabela 1, onde temos os diâmetros externos,
espessuras de parede e porcentagens de redução, segue a seguinte montagem de
fieiras até seu diâmetro final (tabela 2.2). Os espaços pintados servem para
representar suportes para fieiras não utilizados.
Tabela 2.2 – Diâmetros de um tubo trefilado na “Sink” (BD, 2011)
DIES (mm)
Caixa 1
DIES (mm) DIES (mm) DIES (mm)
Caixa 2
Caixa 3
Caixa 4
1,20 1,10 1,00 0,90
0,81 0,71
0,64 0,59
DIES
(mm)
Caixa 6
0,356
0,305
DIES (mm)
Caixa 5
0,56 0,381
Como se pode perceber, neste processo não há recozimento. O que compete
ao material maior resistência e dureza, em virtude de seu alto grau de encruamento.
2.2. Materiais médico-hospitalares
“Materiais médico-hospitalar são todos os produtos utilizados para saúde tal
como equipamento, aparelho, material, artigo ou sistema de uso ou aplicação
médica, odontológica, laboratorial destinado à prevenção, diagnóstico, tratamento,
reabilitação e que não utiliza meio farmacológico, imunológico ou metabólico para
realizar suas principais funções”. Os materiais Médicos-Hospitalares são hoje
denominados PRODUTOS MÉDICOS por uma Legislação da ANVISA – RDC 185
de 22 de outubro de 2001, republicada em Diário Oficial de 06/11/2011. Eles
também podem ser denominados Biomateriais. Willians (1976, p.237) também
define Biomateriais como qualquer substância ou combinação de substâncias,
exceto fármacos, de origem natural ou sintética, que podem ser usadas durante
qualquer período de tempo, como parte ou como sistemas que tratam, aumentam ou
substituem quaisquer tecidos, órgãos ou funções do corpo.
Alguns exemplos de produtos médicos, ou biomateriais, são descritos abaixo:
2.2.1. Seringas
Podem ser feitas de vidro ou de plástico. Utilizadas na administração de
medicamentos. Como mostra a figura 2.10, existem inúmeros tamanhos e formatos,
que se adaptam melhor à finalidade que serão utilizadas.
Figura 2.10 – Tipos de seringas (O autor, 2013).
2.2.2. Agulhas
Agulhas utilizadas em seringas hipodérmicas. Compostas de uma agulha em
aço inoxidável, apontada de um lado e com um adaptador do outro lado para
conectar com a ponta do bico da seringa (figura 2.11).
Bisel
Cânula
Canhão
Bisel
Figura 2.11 – Componentes de uma agulha (Morais, 2010).
2.2.3. Agulhas para anestesia
2.2.3.1.
Anestesia peridural
São agulhas que contém uma haste comprida, para administração de
medicamentos na região peridural (figura 2.12).
Figura 2.12 – Agulha peridural (O autor, 2013).
2.2.3.2.
Anestesia raquidiana
São agulhas com uma haste longa, para administração de medicamentos
raqui (figura 2.13).
Medula espinhal
Espaço epidural
Espaço subaracnóide
Figura 2.13 – Agulha raquidiana (O autor, 2013).
2.2.4. Cânulas
São tubos de metal, plástico ou vidro, introduzidos no corpo ou em algum
orifício do paciente para realização de algum procedimento. Por exemplo, a cânula
de traqueostomia é colocada no pescoço do paciente, como na figura 2.14, criando
um orifício artificial na traquéia, abaixo da laringe, feita em casos de emergência ou
intubações prolongadas.
Figura 2.14 – Cânula de traqueostomia (O autor, 2013).
2.2.5. Cateter
É um instrumento constituído de uma agulha numa extremidade, seguido por
um material plástico, podendo ser um conector ou um tubo. Eles são utilizados para
introdução ou retirada de líquidos, soros, sangue, realização de investigações e
diagnósticos. Um exemplo bastante conhecido é o cateter intravenoso, usado como
meio de acesso a veias e artérias (punção), para terapia intravenosa de
medicamentos, reposição por perda de sangue ou plasma ou para alimentação
parenteral.
2.2.5.1.
Cateter intravenoso periférico (punção)
É um instrumento, como descrito acima, utilizado para acesso a veias e
artérias (figura 2.15).
Figura 2.15 – Cateter intravenoso periférico (O autor, 2013).
2.2.5.2.
Cateter intravenoso central
Na figura 2.14 tem-se o cateter intravenoso central utilizado para alimentação
parenteral, nutrição feita por uma via diferente da gastro-intestinal. A nutrição
parenteral pode servir para complementar (parcial) ou para substituir completamente
(total) a alimentação normal, pela via enteral.
Figura 2.16 – Cateter intravenoso central (O autor, 2013).
2.2.5.3.
OPMES
A sigla OPMES é a abreviação para: O – Órteses, P – Próteses, ME –
Materiais Especiais e S – Sínteses. Órteses são dispositivos de ação temporária que
melhoram a função ou possibilitam alcançar um objetivo funcional de um órgão ou
segmentos do corpo (figura 2.17).
Figura 2.17 – Órteses (O autor, 2013).
Próteses são dispositivos destinados a substituir estruturas anatômicas e
realizar suas funções (figura 2.18).
Figura 2.18 – Próteses (O autor, 2013).
Materiais Especiais são aqueles que auxiliam no procedimento, diagnóstico
ou terapias. São de uso individual, implantáveis ou não (figura 2.19).
Figura 2.19 – Materiais Especiais. Grampeador cirúrgico (O autor, 2013).
Síntese são dispositivos (placas, parafusos, hastes, fios, ganchos, fitas,
dispositivos carregadores de enxertos etc.) implantados através de procedimento
cirúrgico (figura 2.20).
Figura 2.20 – Sínteses (O autor, 2013).
2.2.6. Biomateriais
Relatos de uso de materiais não biológicos para reparar ou substituir um
tecido humano tem origens de mais de 4000 anos. Civilizações hindu, egípcias e
astecas descreveram o transplante de ossos de animais em seres humanos. O ouro
era utilizado na odontologia asteca, romana e chinesa. Eles também utilizavam
prata, conchas do mar e dentes de foca em substituição aos dentes naturais e aos
tecidos danificados. (RATNER, 2004; HILDEBRAND, et al.,2006). Desde o século
XVI tem-se utilizado implantes metálicos para substituir partes danificadas do corpo
humano que perderam sua funcionalidade, devido a doenças degenerativas ou
acidentes. Atualmente, os avanços nas áreas de pesquisa em engenharia e cirurgia
têm possibilitado a reconstrução de várias partes do corpo humano utilizando-se
biomateriais.
Na década de 20, os aços inoxidáveis foram utilizados em aplicações médicas
na área ortopédica, seguido por ligas cromo-cobalto foram introduzidas na produção
de implantes, uma década depois. A partir dos anos 60, o titânio e suas ligas foram
utilizados com essa finalidade, tendo sua utilização em larga escala na década
seguinte (GIORDANI, 2007).
De acordo com a resposta que o material provoca no corpo humano, os
biomateiriais podem ser classificados conforme apresentado a seguir.
2.2.6.1.
Bioinertes
Bioinertes são materiais que não provocam nenhum tipo de reação no corpo,
durante toda a vida do implante. Quando eles estão em contato com o corpo, são
envolvidos por um tecido fibroso (GOTMAN, 1997; SCHNEIDER, 2001; CASTNER E
RATNER, 2002; LIMA, 2004).
São exemplos de bioinertes, podem-se citar: carbono, alumina e zircônia
alumina e a zircônia são mais usadas em superfícies de juntas artificiais sujeitas à
fricção por causa da sua boa resistência ao desgaste (figura 2.21).
Na figura 2.21 tem-se a protese de fêmur, com haste de Titânio e cabeça de
Alumina.
Figura 2.21 – Prótese de fêmur, haste em titânio (Ti90/Al6/Va4) com cabeça de alumina (AL2O3) (O
autor, 2013).
2.2.6.2.
Reabsorvíveis
São os materiais lentamente degradáveis e gradualmente substituídos pelos
tecidos. O produto da degradação desses materiais não possui toxidade e são
eliminados pelo metabolismo do corpo humano. São exemplos desses materiais o
fosfato tricálcio e os polímeros poli (ácido láctico - PLA) e poli (ácido glicólico - PGA)
(LIMA, 2004).
Na figura 2.22 tem-se as Placas de sistema absorvível - copolímero
lacticoglicólico 82-18% utilizadas em cirurgia craniofacial.
Figura 2.22 – Placas de sistema absorvível - copolímero lacticoglicólico 82-18% utilizadas em cirurgia
craniofacial (O autor, 2013).
2.2.6.3.
Bioativos
Bioativos são materiais onde há ligação direta aos tecidos vivos devido aos
íons presentes nos substitutos ósseos, que favorecem o processo de fixação e união
do implante (SCHNEIDER, 2001; ORÉFICE et al., 2006, RESENDE, 2007).
Exemplos: hidroxiapatita (HAp) e biovidros (figura 2.23).
Figura 2.23 – Parafusos em material bioativo (O autor, 2013).
2.2.7. Materiais metálicos utilizados como biomateriais
Os três tipos de materiais metálicos mais conhecidos e usados como matéria
prima são os aços inoxidáveis austeníticos, as ligas cromo-cobalto e o titânio e suas
ligas. Esses materiais devem possuir propriedades como elevada resistência
mecânica, elevada estabilidade físico-química, biocompatibilidade e capacidade de
formação de tecido ósseo (LEMONS e LUCAS, 1986). No Brasil os portadores de
implantes ortopédicos não são submetidos a exames de ressonância magnética,
uma vez a maioria desses equipamentos atinge campos magnéticos podendo ter
interações com esses materiais (TERADA, 2008).
2.2.7.1.
Titânio e suas ligas
O Titânio é bem conhecido como o material não-nobre mais resistente a
corrosão, devido a formação extremamente rápida de uma camada passiva de
óxido. Essa camada de óxido fornece uma resistência a corrosão excepcional e,
consequentemente, boa biocompatibilidade (Einsenbarth et al., 2002). Quando ele
está exposto a uma atmosfera contendo ar e outras substâncias, ocorre a absorção
das moléculas de Oxigênio que se dissociam para átomos. Em aproximadamente 10
nanosegundos forma-se a primeira camada de óxido, com espessura monoatômica.
Em 1 minuto, esta espessura já é da ordem de 50 a 100 Angstron.
A liga constituída por Titânio, Alumínio e Vanádio, revela-se um material com
baixa reacção biológica, baixa corrosão e sem propriedades magnéticas, tornando-o
seguro para uso em Ressonância Magnética (RM). O titânio possui ainda a
capacidade de produzir pouco artefacto radiológico, sendo possível o uso em
Tomografia Computorizada sem distorção da imagem dos tecidos adjacentes. O seu
baixo peso também contribui para o seu grande uso.
Implantes produzidos com as ligas de titânio tem um custo elevado. O que
motiva a utilização dos aços inoxidáveis com baixo teor de níquel, em função de
possuir boa resistência mecânica, à corrosão, tenacidade e biocompatibilidade
(TERADA, 2008).
2.2.7.2.
Ligas de Cobalto
As ligas a base de Cobalto são utilizadas desde a década de 20. Zierold
utilizou uma liga chamada STELLITE implantada em cães. A partir de 1938, ligas de
Cr-Co eram implantadas em ossos de animais. Desenvolvimentos de uma matriz de
uma liga a base de Cobalto (Vitallium) foi usada como revestimento da cabeça do
fêmur para melhorar a mobilidade do paciente e diminuir a dor (ORÉFICE et al.,
2006).
Ligas de Co mais utilizadas são a base de Co-Cr-Ni-Mo. Estudos mostraram
que elementos como Cr, Co e Mo liberavam ions metálicos que migravam para
dentro dos tecidos. Isto levava a toxicidade celular, hipersensibilidade do metal e
alterações cromossômicas, devido ao seu processo corrosivo, o que levou ao seu
desuso (NIINOMI; NAKAI; HIEDA, 2012).
2.2.8. Aços inoxidáveis
O termo aços inoxidáveis é utilizado para um grupo de ligas que possuem
resistência à corrosão devido a formação de um filme de óxido fino na superfície na
presença de diversos meios agressivos. Os aços inoxidáveis constituem aços alta
liga baseados nos sistemas Fe-Cr, Fe-Cr-C e Fe-Cr-Ni, contendo pelo menos 10,5%
de cromo e outros elementos de liga como: o níquel, molibdênio, manganês, titânio,
cobre, silício e alumínio (ASM, 1994). O cromo é o elemento químico responsável
pela resistência à corrosão nesses aços. O contato do cromo com oxigênio forma
espontaneamente uma película protetora, formada por óxido (Cr2O3), que possui
grande aderência, impermeabilidade, estabilidade e promove excelente proteção
contra os ataques corrosivos (LIPPOLD et al., 2005).
Os aços inoxidáveis são classificados em função das fases metalúrgicas
presentes, diferentes dos outros materiais que são classificados em função da
composição química. As três principais fases que classificam estes materiais são:
austenita, ferrita e martensita. Desta forma os aços inoxidáveis possuem os
seguintes tipos: Austeníticos, Ferríticos, Martensíticos, Duplex (aproximadamente
50% de austenita e 50% de ferrita) e os Endurecíveis por precipitação - PH’s
(GIRALDO, 2006), Tabela 2.3.
TABELA 2.3 – Teores em % de massa, dos principais constituintes dos aços inoxidáveis (PADILHA;
GUEDES, 1994).
Teores dos contituintes da liga em %
Classe
Tipo
C
Mn
Si
S
P
Cr
Ni
Austeníticos
AISI 304
0,08
2,00
1,00
0,03
0,04
19,00
9,00
Austeníticos
AISI 316*
0,08
2,00
1,00
0,03
0,04
17,00
12,50
Martensíticos
AISI 410
0,15
2,00
1,00
0,03
0,03
12,50
Martensíticos
AISI 420
0,15
2,00
1,00
0,03
0,03
13,00
Ferríticos
AISI 430
0,12
1,25
1,00
0,03
0,04
17,00
Ferríticos
AISI 439
0,07
1,00
1,00
0,03
0,03
18,00
*Possui 3% de Molibdênio em sua composição
O instituto norte americano do ferro e aço (AISI) classifica os aços inoxidáveis
com três números, às vezes seguido por uma letra, por exemplo: 304, 304L, 410 e
430. Os aços inoxidáveis ferríticos e martensíticos são ferromagnéticos. Os duplex
são relativamente magnéticos, devido ao seu conteúdo elevado de ferrita; e os
austeníticos não são ferromagnéticos (MORAES, 2006).
Basicamente, a composição principal dos aços inoxidáveis dependem dos
elementos de liga presentes nos mesmos. Um elemento de liga que é dissolvido
preferencialmente em determinada fase, causa a sua estabilização, isto é, favorece
a sua formação. Nos aços inoxidáveis, os elementos de liga são divididos em
estabilizadores da ferrita e estabilizadores da austenita. Os principais elementos de
liga estabilizadores da ferrita são: Cr, Mo, Si, Nb e Ti; e os principais estabilizadores
da austenita são: C, Ni, Mn, N.
Tem-se então:

aços inoxidáveis martensíticos: baseados no sistema Fe-Cr-C (Ni, Mn);

aços inoxidáveis austeníticos: baseados no sistema Fe-Cr-Ni (C, Mn);

aços inoxidáveis ferríticos: baseados no sistema Fe-Cr (Nb, Mo);

aços inoxidáveis duplex: baseados no sistema Fe-Cr-Ni (C, Mo, Mn);

aços inoxidáveis duplex: baseados no sistema Fe-Cr-Ni (Mo, Cu, Al, Ti);
A liga 304 (UNS 30400) é considerada a raiz desta série de aços, e
juntamente com o 304L (UNS 30403), representam os aços inox austeníticos mais
utilizados. Os avanços na fabricação e refino proporcionou evolução na fabricação
dos aços inoxidáveis, conforme mostrado na Figura 2.24, a partir do AISI 304.
Figura 2.24 – Diferentes tipos de aços inoxidáveis a partir da modificação do aço 304 (PADILHA;
1994).
2.2.8.1.
Aços inoxidáveis Austeníticos
A austenita é estável nestes aços a partir da adição de elementos
austenitizantes (carbono, nitrogênio, cobre), merecendo destaque o níquel, que é
adicionado em teores acima de 8%. Os aços inoxidáveis austeníticos possuem boa
ductilidade, tenacidade e elongação durante o ensaio de tração (LIPPOLD, 2005).
Os aços inoxidáveis austeníticos são amplamente utilizados devido a sua boa
resistência
à
corrosão,
resistência
mecânica
a
quente,
trabalhabilidade,
soldabilidade e biocompatibilidade para os que possuem baixo teor de níquel. O
Molibdênio é adicionado nos aços inoxidáveis austeníticos AISI 316 e AISI 317 para
aumentar a resistência a corrosão em ambientes contendo cloretos.
Tratamentos térmicos de solubilização em temperaturas em torno de 1100º
são feitos para evitar a precipitação de carbonetos, que ocorre em temperaturas
entre 425º C e 900º C (COLOMBIER, 1967). O tempo, a temperatura e o método de
resfriamento dependem diretamente da espessura e do tipo de material. Pequenas
secções podem ser mantidas pouco tempo na temperatura de solubilização,
seguidas por rápido resfriamento ao ar. Já seções maiores necessitam resfriamento
com água após aquecimento. Para os aços inoxidáveis austeníticos de baixo
Carbono (304L ou 316L), praticamente não há formação de Carbonetos de Cromo
pois o conteúdo de Carbono é suficientemente baixo. Estes aços inoxidáveis de
baixo Carbono não requerem tratamento térmico de solubilização para reter o
Carbono em solução sólida (ASM 2000). No entanto, não estão imunes à formação
de carbonetos quando expostos a longos períodos em temperatura de sensitização.
Os aços inoxidáveis austeníticos, são largamente utilizados para aplicações
médicas. Na figura 2.25 tem-se um histórico de utilização destes tipos de materiais.
Stainless Steel
Metals
Vitalium
Titanium
PMMA
Plastics
HDP
Cellophane
Cuprophane
Bioglass
Al2O3 TCP
Hydroxpatite
Ceramics
1920
1930
1940
1950
1960
1970
1980
Year
Figura 2.25 – Tipos de materiais utilizados como biomateriais (NIINOMI, 2002).
A utilização dos aços inoxidáveis austeníticos está condicionada a fatores que
vão além da resistência mecânica e à corrosão. Esses materiais em contato com os
tecidos humanos não devem causar reações alérgicas e toxicas ao hospedeiro,
porém, o contato dos aços austeníticos por longos períodos com os tecidos
corporais desestabiliza a camada protetora de óxidos, causando corrosão por pites e
frestas. O produto da corrosão possui íons níquel, manganês, cromo, ferro que
entram em contato direto com os fluidos corporais. Os íons níquel são fortes agentes
causadores de alergias, inflamações e tumores em muitos pacientes (SUNDERMAN,
1989; NIINOMI; NAKAI; HIEDA, 2012).
A seguir, tem-se elementos que são adicionados aos aços inoxidáveis a fim
de melhorar suas propriedades.
Carbono - sua finalidade é aumentar a resistência mecânica e estabilizar a
austenita. Os aços inoxidáveis possuem teores de carbono menores do que 0,03% e
certas classes com teores elevados de carbono são indesejáveis a fim de evitar a
sensitização. (PADILHA; GUEDES, 1994).
Cobre - a presença desse elemento tem por finalidade promover a resistência
à corrosão dos aços inoxidáveis em meios contendo ácido sulfúrico e estabilizar a
austenita (PADILHA; GUEDES, 1994).
Cromo - é um elemento muito importante do ponto de vista da corrosão, pois
atua na formação da camada passiva e também de forma a aumentar a solubilidade
do nitrogênio na austenita (PADILHA; GUEDES, 1994).
Manganês - Esse elemento é estabilizador da austenita e ajuda a aumentar a
solubilidade do nitrogênio e molibdênio na austenita (PADILHA; GUEDES, 1994).
Molibdênio - Esse elemento atua elevando a resistência à corrosão por pites
nos aços inoxidáveis. Esse elemento é incorporado no filme passivo promovendo a
formação de um filme espesso e resistente ao ataque dos íons Cl-. Além dessa
propriedade aumenta a solubilidade do nitrogênio na austenita (PADILHA; GUEDES,
1994, ASM HANDBOOK, 2002).
Níquel - esse elemento atua como estabilizador mais efetivo da austenita
(PADILHA; GUEDES, 1994), além promover melhorias na resistência à corrosão em
alguns meios ácidos (ASM HANDBOOK, 2002).
Titânio e Nióbio - atua como formador de carbonetos, o que promove o
aumento do limite de resistência e evita a sensitização em temperaturas elevadas
(PADILHA; GUEDES, 1994).
Nitrogênio - esse elemento atua como estabilizador da austenita e aumenta a
resistência mecânica e à corrosão localizada em aços inoxidáveis austeníticos.
(McGUIRE, 2008).
Silício - é utilizado para promover resistência à oxidação e resistência à
corrosão por oxidação ácida (McGUIRE, 2008).
Terras Raras - a adição de terras raras (Ce e La) na superfície dos aços
inoxidáveis austeníticos melhora a resistência ao desgaste e promove o refino dos
grãos, bem como resistência à corrosão em temperaturas elevadas (PADILHA;
GUEDES, 1994; McGUIRE, 2008;).
Schaeffler construiu o diagrama utilizando as Equações 2.1 e 2.2 para o
Cromo e Níquel equivalente, assim, pode-se prever qual é a estrutura predominante
no aço inoxidável em relação à quantidade de certos elementos (PADILHA;
GUEDES, 1994).
%N)
(1)
(2)
Figura 2.26 – Diagrama de Schaeffler (PADILHA; GUEDES, 1994).
2.3. Fabricação de tubos com costura
Tubos com costura são feitos a partir de chapas conformadas cujas arestas
são soldadas. São largamente empregados nas indústrias, que vão desde materiais
de precisão como indústria pesada. Depois de cortadas, as chapas ou lâminas
servem de matéria prima para as formadoras, que darão a forma ao tubo por meio
de dobramentos sucessivos através da passagem por uma seqüência de estações
de trabalho equipadas com discos ou rolos perfilados, dispostos aos pares ou com
mais elementos (Han et al. (2004)), como mostrado na Figura 2.27. É muito
importante o correto alinhamento das matrizes, pois exercem grande influência na
soldagem.
A vantagem deste processo em relação a outros métodos, é que materiais de
qualquer comprimento podem ser conformados em velocidades relativamente
elevadas. O estabelecimento de uma seqüência de deformações permite a
distribuição de tensões ao longo da linha de conformação, evitando heterogeneidade
nas tensões resultantes e garantindo melhor aproveitamento da potência motora do
equipamento.
Figura 2.27 – Esquema de formação de um tubo. (KIM et al., 2003)
Após as etapas de conformação da chapa, o tubo quase formado passa pela
etapa de soldagem. Esta denominação “com costura” é errônea para o material veio
de muito tempo atrás, quando o processo utilizado era de baixa frequência (50 ou 60
hz), o que dava ao material uma aparência de “material costurado”. Hoje o processo
é realizado com solda longitudinal pelo processo E.R.W. (Solda por Resistência
Elétrica) com alta Frequência. Este processo garante a homogeneidade da matériaprima com a solda, o que confere excelentes características aos produtos
(BRACARENSE, 2007).
2.3.1. Variáveis na conformação
Uma série de variáveis atuam durante a conformação. Sua atuação, por
conseguinte, varia de acordo com a precisão exigida ao produto. Sung (2007)
esquematiza as variáveis do processo de conformação segundo o diagrama
apresentado na figura 2.28.
As variáveis significativas no processo de conformação são apresentadas na
tabela 2.4 (Gelegi 1976). Altan (1999) destaca que o comportamento do material
durante e após o processo de conformação deve ser conhecido, fornecendo
informações tais como dados e características do material,
Fig. 2.28 - Interligação entre as variáveis significativas no processo de conformação (SUNG, 2007).

dados do material: condições iniciais, composição; o histórico de
conformações e de tratamentos e a microestrutura a ser obtida no produto final.

características do material identificadas por:
Tensão de deformação, em várias direções;
Formabilidade (trabalhabilidade) do material dependendo de:

variáveis do processo (temperatura, tensão, deformação e taxa
de deformação);

modificações metalúrgicas durante a deformação, (formação de
vazios, composição, lacunas, inclusões, precipitações).
Tabela 2.4 – Variáveis mais significativas no processo de conformação (GELEGI, 1976).
Variável
Composição da matéria
prima
Ferramental
Condições na interface
ferramenta-peça
Zona de deformação
Equipamento usado
Produto
Ambiente
Característica
Tensão de escoamento como função da deformação,
temperatura e microestrutura (equações constitutivas).
Conformabilidade em função da deformação , taxa de
deformação, temperatura e microestrutura (curvas
limite de conformação).
Condições superficiais e propriedades termo-físicas.
Condições iniciais (composição química, temperatura,
estados anteriores da microestrutura).
Efeitos da mudança de microestrutura e composição
química na tensão de escoamento e conformabilidade.
Geometria das ferramentas e condições superficiais.
Material, dureza e tratamento térmico.
Temperatura.
Rigidez e posição.
Tipo de lubrificação e temperatura de trabalho.
Relação e características de resfriamento na camada
de interface.
Lubrificação e tensão de cisalhamento ao atrito.
Características relacionadas à aplicação remoção de
lubrificante.
Mecanismo de deformação e modelo usado para
análise.
Fluxo de metal, velocidade, taxa de deformação e
deformação.
Tensões (variações durante a deformação).
Temperatura (geração e transferência de calor).
Velocidade/ razão de produção.
Força/ capacidade de conversão de energia.
Rigidez e posição.
Geometria.
Precisão
dimensional/
tolerâncias/
Acabamento
superficial.
Microestrutura,
propriedades
mecânicas
e
metalúrgicas.
Capacidade da mão de obra disponível.
Poluição do ar e resíduos líquidos.
Controle da poluição e disponibilidade de
equipamentos na fábrica.
De acordo com Hosford et al., todas as operações de conformação de chapa
incorporam algum dobramento. Esta operação consiste em dobrar uma chapa em
torno de uma ferramenta com um raio de dobra. Os esforços de dobramento
aplicados irão provocar a flexão da peça, ou seja, será aplicado na superfície
externa ao raio, tensões de tração e na superfície interna, tensões de compressão,
conforme observado na figura 2.29.
Fig. 2.29 - Distribuição das tensões na espessura da chapa sob carga.
Estas tensões aumentam a partir de uma linha neutra, chegando a valores
máximos nas camadas externas e internas. Em outras palavras, em um dobramento
a tensão varia de um máximo negativo na camada interna para zero na linha neutra
e daí sobe a um máximo positivo na camada externa.
Assim uma parte das tensões atuantes na seção dobrada estará abaixo do
Limite de Escoamento (LE) e a outra parte supera este limite (deformação plástica
permanente). Uma vez cessado o esforço de dobramento, a parte da seção que
ficou submetida a tensões inferiores ao Limite de Escoamento (LE) por ter
permanecido no domínio elástico, tende a retornar à posição inicial anterior ao
dobramento. Como resultado, o corpo dobrado apresenta um pequeno “retorno
elástico” ou efeito mola (Spring Back) que deve ser compensado durante a operação
de dobramento.
O efeito mola tem importância destacada na fabricação de tubos soldados em
função da tensão introduzida no cordão soldado quando o tubo é aliviado das cargas
impostas pelos rolos de calibração. Estudos desenvolvidos por Geng e Wagoner
(2002) mostram o comportamento do material sob efeito mola e sua relação com as
tensões resultantes.
A medição do retorno elástico foi efetuada por Carden et al. (2002) com
verificação da tensão resultante no material da peça. Ona (2004) relaciona o efeito
mola com os defeitos gerados, tanto dimensionais como geométricos, nos tubos de
pequeno diâmetro e reduzidas espessuras de parede. O estabelecimento de uma
seqüência de deformações permite a distribuição de tensões ao longo da linha de
conformação, evitando heterogeneidade nas tensões resultantes e garantindo
melhor aproveitamento da potência motora do equipamento.
2.3.2. Soldagem
Após as etapas de conformação da chapa, o tubo quase formado passa pela
etapa de soldagem. Nesta etapa, faz-se o uso do processo de soldagem TIG ou Gas
Tungsten Arc Welding (GTAW), como é mais conhecido atualmente. É um processo
de soldagem a arco elétrico que utiliza um arco entre um eletrodo não consumível de
tungstênio e a poça de soldagem. Conforme pode-se notar pela figura 2.30, a poça
de soldagem, o eletrodo e parte do cordão são protegidos através do gás de
proteção que é soprado pelo bocal da tocha. No processo, pode-se utilizar adição ou
não (solda autógena). Quando devidamente executada, a solda resultante é tão
resistente quanto os materiais originariamente empregados (BRACARENSE, 2007).
FIGURA 2.30 - Processo de Soldagem TIG (Marques, 2005).
2.3.2.1.
Variáveis do processo
As variáveis que determinam basicamente o processo são a tensão do arco, a
corrente de soldagem, velocidade de avanço e o gás de proteção. Deve-se
considerar que as variáveis não agem de forma independente, havendo forte
interação entre elas. A corrente de soldagem controla a penetração da solda, com
efeito diretamente proporcional. Ela afeta também a tensão do arco, sendo que para
um mesmo comprimento de arco, um aumento na corrente causará um aumento na
tensão do arco.
A tensão do arco, é influenciada por diversos fatores, como apresentado a
seguir.

corrente do arco.

perfil da ponta do eletrodo.

distância entre o eletrodo e a peça ( comprimento do arco ).

velocidade de soldagem.

tipo da gás de proteção.
Existe uma relação direta entre a tensão e o comprimento do arco, pois a
tensão possibilita o controle do comprimento do arco, que é difícil de monitorar. Por
sua vez, o comprimento do arco afeta diretamente a largura da poça. Este controle
do comprimento do arco pela tensão deve ser feito de maneira cuidadosa,
observando-se outros parâmetros que também afetam a tensão como contaminação
do eletrodo e do gás de proteção, mudanças de temperatura e erosão do eletrodo.
A velocidade de avanço afeta na penetração e na largura do cordão, sendo
esta última, porém, muito mais afetada. Entretanto, muitas vezes, a velocidade
torna-se apenas uma conseqüência a partir da definição de padrões de qualidade e
uniformidade (Fegueiredo, 2005).
O perfil da ponta do eletrodo é muito importante pois pode influenciar na
estabilidade do arco e também no formato do cordão de solda. Na figura 2.31 é
mostrado como o formato da afiação do eletrodo de tungstênio influencia
diretamente o formato do arco de soldagem, influenciando inclusive na penetração
da solda, vida útil do eletrodo, velocidade com que se consegue soldar, amperagem
necessária etc.
A distância do eletrodo e a peça, ou comprimento do arco, é definido pela
ponta do eletrodo até o metal de base. Este parâmetro define o perfil do cordão de
solda. Quanto maior esse comprimento, mais largo será o cordão. Um arco muito
curto ou muito largo gera instabilidade, propiciando descontinuidades como
porosidade, mordeduras e falta de fusão (Fegueiredo, 2005).