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18 de maio de 2021

Engrenagem de aço: Peças cotidianas de aço

Editoria Serrametal

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. 

Fig. 1 – Elementos de máquinas [1].

 

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:

Tabela 1: Composições de ligas de aço forjadas e laminadas para engrenagens [9]

 

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].

• Níquel (Figura 2): A adição de níquel tende a aumentar a dureza e a resistência, mas com diminuição da ductilidade. A  dureza é um pouco maior do que a dos aços carbono simples. O uso de níquel como elemento de liga diminui os pontos críticos e produz menos distorção, devido à menor temperatura da têmpera. Os aços ao níquel do grupo de cementação, apresenta um processo mais lento, mas o crescimento do grão é menor [2, 5,9].

Fig. 2 – A piece of Ni about 3 cm in size [10]

 

• Cromo (Figura 3): o cromo aumenta a dureza e a resistência em relação ao obtido pelo uso do níquel, embora a perda de ductilidade seja maior. O cromo refina o grão e confere uma maior profundidade de dureza. Os aços ao cromo têm um alto grau de resistência ao desgaste e são facilmente usinados, apesar do grão fino [2, 5,9].

Fig. 3 – Chromium metal chunk [11]

 

• Manganês: Quando presente em quantidades suficientes para justificar o uso do termo liga, a adição de manganês é muito eficaz. Oferece maior resistência do que o níquel e um maior grau de tenacidade do que o cromo. Devido à sua suscetibilidade ao trabalho a frio, é provável que flua sob pressões unitárias severas. Até o momento, ele nunca foi usado em grande escala para engrenagens tratadas termicamente, mas agora está recebendo uma quantidade cada vez maior de atenção [2, 5,9].

• Vanádio (Figura 4): O vanádio tem um efeito semelhante ao do manganês – aumentando a dureza, a resistência e a tenacidade. A perda de ductilidade é um pouco maior do que a devida ao manganês, mas a penetração de dureza é maior do que para qualquer um dos outros elementos de liga. Devido à estrutura de granulação extremamente fina, a resistência ao impacto é alta; mas o vanádio tende a dificultar a usinagem [2, 5,9].

Fig. 4 – A high purity (99.95 %) Vanadium disc, EBM remelted, electrical discharge cut, ground, polished and macro etched. Size ca. 35 mm dia., weight ca. 31.5 g [12].

 

• Molibdênio (Figura 5): O molibdênio tem a propriedade de aumentar a resistência sem afetar a ductilidade. Para a mesma dureza, os aços contendo molibdênio são mais dúcteis do que quaisquer outros aços-liga e, tendo quase a mesma resistência, são mais resistentes; apesar do aumento da tenacidade, a presença de molibdênio não dificulta a usinagem. Na verdade, esses aços podem ser usinados com uma dureza mais alta do que qualquer um dos outros aços de liga. A resistência ao impacto é quase tão grande quanto a dos aços vanádio [2, 5,9].

Fig. 5 – Microestrutura e textura do molibdênio durante o desenvolvimento da recristalização: (a) mapa de orientação (contraste de fase) acentuando os limites intercristalinos de baixo e alto ângulo (linhas finas e grossas, respectivamente) [13]

 

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.

• Aços cromo-níquel (Figura 6) (Série 31XX – Aços Níquel Cromo com 1,25% de Ni e 0,65% de Cr; Série E33XX 
• Aços Níquel Cromo com 3,5 % de Ni e 1,55 Cr [5]): A combinação dos dois elementos de liga cromo e níquel adiciona as qualidades benéficas de ambos. O alto grau de ductilidade presente nos aços ao níquel é complementado pela alta resistência, tamanho de grão mais fino, endurecimento profundo e propriedades de resistência ao desgaste conferidas pela adição de cromo. A maior tenacidade torna esses aços mais difíceis de usinar do que os aços carbono simples e são mais difíceis de tratar termicamente. A distorção aumenta com a quantidade de cromo e níquel [2, 5,9].

Fig. 6 – Micrografias MEV mostrando a estrutura fundida da liga de Ni-Cr: (a) fundição centrífuga, (b) fundição por indução de alta frequência, (c) fundição por pressão a vácuo e (d) imagem de alta ampliação mostrando zonas ricas em Ni em liga fundida centrífuga [14].

 

• Aços cromo-vanádio (Figura 7) (61XX – Aço cromo vanádio com 0,8 ou 0,95% de Cr a 0,1% ou 0,15% de v [5]): os aços cromo-vanádio têm praticamente as mesmas propriedades de tração que os aços cromo-níquel, mas a facilidade de endurecimento, resistência ao impacto e resistência ao desgaste são aumentados pelo tamanho de grão mais fino. Eles são difíceis de usinar e se distorcem com mais facilidade do que os outros aços-liga [2, 5,9].

Fig. 7 – Micrografia de uma liga baseada em Cr-V com tratamento por feixe de elétrons [15]

 

• Aços Cromo-Molibdênio (Figura 8) (41XX Aços Cromo Molibdênio com 0,50% ou 0,90% de Cr e 0,12% ou 0,20% de Mo [5]): Este grupo tem as mesmas qualidades dos aços retos ao molibdênio, mas a profundidade de endurecimento e a resistência ao desgaste são aumentadas pela adição de cromo. Este aço é facilmente tratado termicamente e usinado [2, 5,9].

Fig. 8 – Aço Cr-Mo-V de baixo carbono. Os contornos de grãos de austenita gravados termicamente são mostrados in situ a 1000°C em um microscópio de estágio quente. 440x [16]

 

• Aços níquel-molibdênio: os aços níquel-molibdênio têm qualidades semelhantes às do aço cromo-molibdênio. A tenacidade é considerada maior, mas o aço é um pouco mais difícil de usinar [2, 5,9].

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

Referências

[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.