18 de maio de 2021
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Existem uma infinidade de peças do nosso cotidiano que são fabricadas com aço. Nesse texto, veremos sobre engrenagens de aço.
Para fabricação de engrenagens de aço, muitas ligas podem ser utilizadas, e muitos tratamentos podem ser aplicados a elas. Cada ação, cada tratamento podem ser utilizados dependendo da aplicação de cada engrenagem, que tipo de pressão irá sofrer e quais propriedades mecânicas são desejadas. Existem determinadas normas também para a geometria das engrenagens, a Figura 1 apresenta duas delas.
Existem diversos tipos de aços que podem ser utilizados para a fabricação de engrenagens, e assim como é realizado desde o século passado, os materiais para engrenagens de aço são de acordo com o tipo de trabalho. Quando um projeto de engrenagem requer uma resistência de material superior, ligas de ferro (como aços) são a melhor escolha. Em sua forma bruta, o ferro cinzento pode ser fundido e usinado em engrenagens. Normalmente, o ferro fundido é usado em aplicações onde o bronze de fósforo é uma alternativa adequada, mas a aplicação não é restringida pelos campos magnéticos do material [2].
Existem quatro designações principais de liga de aço. Estes são aço carbono, aço de liga, aço inoxidável e aço ferramenta. Ligas de aço carbono são usadas em quase todos os tipos de engrenagens porque são fáceis de usinar, têm boa resistência ao desgaste, podem ser endurecidas, estão amplamente disponíveis e são relativamente baratas [2].
Ligas de aço carbono podem ser classificadas em aço carbono, aço de médio carbono e aço de alto carbono. Ligas de aço leve têm menos de 0,30% de teor de carbono. As ligas de aço com alto teor de carbono têm um teor de carbono superior a 0,60% e os aços com teor médio ficam entre os dois. Esses aços são uma boa escolha para engrenagens de dentes retos, engrenagens helicoidais, cremalheiras de engrenagem, engrenagens cônicas e sem-fim [2, 3].
Os aços carbono podem ser endurecidos por indução ou endurecidos a laser com uma dureza máxima de HRc 55. Aços de liga como o AISI 4140 contêm elementos adicionais como alumínio, cromo, cobre e / ou níquel. Esses outros elementos, quando ligados com o ferro e o carbono, criam aços mais fortes, mais fáceis de usinar e oferecem mais resistência à corrosão do que o aço carbono puro [4, 5]. Essas ligas normalmente são usadas para fazer engrenagens de dentes retos, engrenagens helicoidais, cremalheiras de engrenagem, engrenagens cônicas em espiral e sem-fim [3].
Além da indução e do endurecimento a laser, essas ligas podem ser cementadas. A dureza máxima para essas ligas é 63 HRC [6]. A resistência adicional permite que engrenagens do mesmo tamanho resistam a carga adicional e ao desgaste por mais ciclos. As ligas de aço inoxidável têm um teor mínimo de cromo de 11% e são uma liga de muitos oligoelementos, incluindo níquel, manganês, silício, fósforo, enxofre e nitrogênio [7].
Eles são subdivididos em aços inoxidáveis ferríticos que são magnéticos, aços inoxidáveis austeníticos não magnéticos, martensíticos e endurecidos por precipitação. Os aços inoxidáveis austeníticos são designados como aços inoxidáveis da série 300, enquanto os aços inoxidáveis ferríticos são designados como aços inoxidáveis da série 400. O aço inoxidável mais comum é a liga 304. Ele contém 18% de cromo e 8% de níquel [8].
Para engrenagens, o aço inoxidável 303 é normalmente usado. Na liga 303, o teor de cromo é reduzido para 17%, e 1% da liga é enxofre. Por causa da adição de enxofre, a liga 303 melhorou a usinabilidade em comparação com a liga 304. Quando a resistência à corrosão melhorada é necessária, a liga 316 é a melhor escolha [8].
Esta liga tem 16% de cromo, 10% de níquel e 2% de molibdênio; A liga 316 e 303 é usada para engrenagens de dentes retos, engrenagens helicoidais e engrenagens cônicas. As cremalheiras de engrenagem são normalmente feitas de liga 304. 440C é o aço inoxidável ferrítico mais comum e 17-4PH é o aço inoxidável endurecido por precipitação mais comum [8].
Além destes aços, temos os aços mais utilizados na indústria que apresentam ligas com teores de cromo menores, e portanto, com custo menor. A Tabela 1 apresenta alguns destes aços:
O efeito dos vários elementos de liga no aço são para auxiliar na decisão sobre o tipo particular de aço de liga a ser usado para fins específicos. As características aplicam-se apenas a aços tratados termicamente [2, 9].
Agora, temos que avaliar a combinação de cada elemento de liga, uma vez que os aços se comportam de maneiras diferentes quando estão ligados aos diferentes elementos e quantidades.
Logo, existem diversas aplicações que podemos utilizar nas engrenagens de aço, levando em conta as propriedades citadas acima. Entretanto, para evitar tratamentos térmicos e distorções durante a usinagem, são utilizados aços como o Toolox 33, que mesmo com a dureza menor que a normalmente utilizada, ainda sim consegue ter uma vida útil muito maior.
Outra situação muito encontrada na indústria é a quebra de engrenagens de aço. No caso, para evitar essas quebras, pode-se utilizar um aço mais tenaz, como o Toolox, que permite uma maior vida útil da ferramenta, sem perigo de quebra.
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Elaboração e Edição: Thiago Cortiz, Renata Brandolin e Karina França
[1] MELCONIAN, S. ELEMENTOS DE MÁQUINAS.9 ED. SÃO PAULO: ÉRICA, 2008. 376P.
[2] CUNHA, Lauro Salles, CRAVENCO, Marcelo Padovani. Manual prático do mecânico. São Paulo: Ed. Hemus, 2003.
[3] FAIRES, V. M. Elementos orgânicos de máquina. Rio de Janeiro: Ed. LTC, 1971. v. I e II.
[4] American Society For Metals – Metals Handbook. v. 1, 7. ed., 1983.
[5] SILVA, André Luiz V. da Costa e; MEI, Paulo Roberto. Aços e ligas especiais. 3 ed. São Paulo: Blucher, 2014. 646 p. ISBN 9788521205180.
[6] ASM Metals Handbook, “Heat Treating”, Volume 04, 1991.
[7] CANALE, L.C.F; ROLLO, J.M.D.A. Aços inoxidáveis de transformação controlada. Metalurgia e Materiais, São Paulo, SP, v. 49, n. 413, p. 23-27, 1993.
[8] DAVIS, J.R. Stainless Steel – ASM Specialty Handbook. (2.ed.) ASM International. EUA. p. iii , 1996.
[9] MOTT, R. L. Elementos de Máquina em Projetos Mecânicos. 5ª ed. São Paulo:Pearson, 2015. 920 p.
[10] Repositório wikipédia – 10 November 2009 (original upload date) https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nickel_chunk.jpg
[11] Repositório wikipédia – March 2006. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Chrom_1.jpg
[12] Repositório wikipédia – 17 April 2010. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Vanadium_etched.jpg
[13] Lobanov, Mikhail & Danilov, Sergey & Pastukhov, Vladimir & Averin, S.A. & Khrunyk, Yuliya & Popov, A.. (2016). The crystallographic relationship of molybdenum textures after hot rolling and recrystallization. Materials & Design. 109. 10.1016/j.matdes.2016.06.103.
[14] Choe, Han-Cheol. (2010). Preferential dissolution behavior in Ni-Cr dental cast alloy. Bulletin of Materials Science. 33. 463-468. 10.1007/s12034-010-0071-3.
[15] Tatarkina, N. V., Ziganshin, A. I., Dampilon, B. V., Durakov, V. G., & Tolstokulakov, A. M. (2014). Formation of wear–resistant chromium–vanadium cast iron coating using a continuous and pulsed electron beam. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 66, 012022. doi:10.1088/1757-899x/66/1/012022
[16] METALS HANDBOOK, Volume 9 Metallography and microstructure. USA: ASM (American Society for Metals), 1989.