Aços Resistentes ao Desgaste

INTRODUÇÃO

O desgaste é um fenômeno que ocorre em peças em movimento, como em eixos, pistões, válvulas, cilindros, engrenagens e peças semelhantes em máquinas, apa­relhos de transporte, maquinário agrícola, de construção, britadores, escavadeiras, misturadores, enfim um sem número de aparelhos e máquinas utilizadas na engenharia e na indústria.

Trata-se de um fenômeno superficial, devido ao contato de superfícies, uma das quais, pelo menos, em movimento e que resulta na deformação gradual das peças ou na modifica­ção das suas dimensões, com paulatina redução das mesmas até um ponto que elas perdem sua eficiência quando em serviço, ou apresentam profunda alteração da sua ajustagem de modo que, em qualquer caso, criam-se tensões inesperadas, ocasionando sua ruptura pela aplicação de uma pequena sobrecarga, por fadiga ou por outro esforço dinâmico.

O desgaste ocorre pelo deslocamento ou pelo arrancamento de partículas metálicas de uma superfície metálica. Esses efeitos podem ser causados pelo contato de uma superfície metálica contra outra superfície metálica ou de uma superfície metálica contra outra não metálica ou de uma superfície metálica contra líquidos ou gases em movimento. Assim sen­do, podem ser considerados três tipos de desgaste:

– desgaste de metal contra metal (chamado também desgaste metálico);

– desgaste de metal contra uma substância não metálica abrasiva (chamado também de desgaste abrasivo);

– desgaste de metal contra líquidos ou vapores (também chamado erosão).

1. TIPOS DE DESGASTE

O primeiro – desgaste metálico – pode subdividido em desgaste por deslisamento, com lubrificação, como num eixo em mancais, ou sem lubrificação, como em parafusos, porcas e arruelas e desgaste por rolamento, com lubrificação, como em mancais de rolamento e en­grenagens e sem lubrificação, como em rodas sobre trilhos.

O segundo – desgaste abrasivo – pode ser subdividido em desgaste por esmerilhamento, úmido, como em moinhos de bolas ou seco, como em alguns tipos de britadores de minérios; em desgaste por deslisamento, úmido, como em transportadores de areia úmida ou seca, como em arados ou dispositivos de equipamento de manuseio de terra em solos secos; em desgaste por impacto, úmido, como em rotores de bombas de lodo, ou seco, como em jatos de areia.

O terceiro – desgaste erosivo – pode ser por vapor, como em turbinas, por gases de com­bustão, como em turbinas a gás, por água, como em rotores de bombas e por cavitação, como em dispositivos de fluxos turbulentos e alta velocidade de líquidos.

Os dois primeiros tipos são os mais importantes.

O desgaste metálico pode ser explicado pela interferência mecânica de pequenas projeções ou asperezas das superfícies em contato e em movimento. Ao se deslocarem as duas superfícies uma em relação a outra, admite-se que as saliências de uma possam coincidir com as depressões da outra de modo a causar um aumento da resistência a movimento ulterior. Se a força causadora deste for suficiente para mante-lo, as saliência das superfícies serão deformadas ou arrancadas, se o metal for pouco dúctil.

É de se supor pois, que o desgaste metálico possa ser reduzido pela melhora do acaba­mento das superfícies em movimento e em contato, ou seja, tornando-as planas e macias de modo a diminuir o número de saliências que coincidem com as depressões.

Também diminui o desgaste, a introdução entre as duas superfícies de uma película lubri­ficante a qual, sendo suficientemente espessa, poderá separar as superfície de modo a elimi­nar o contato metálico.

Consegue-se mais facilmente a separação completa, se as superfícies adjacentes em contacto forem macias, a não ser por asperezas microscópicas. Certos detritos de desgaste que se formam nas superfícies em atrito podem ser eliminados pela lubrificação, a qual ainda, mediante um sistema adequado de alimentação e fluxo do lubrificante, permite controlar melhor a elevação de temperatura provocada pelo atrito.

O desgaste metálico é igualmente explicado pêlos efeitos que o calor produzido pelo atrito das superfícies em movimento pode causar: assim, o calor produzido causaria como que uma soldagem de partículas metálicas, as quais devido à pressão exercida e ao movimento, são arrancadas deixando vazios na forma de depressões e produzindo saliências que mais contribuem para ulterior desgaste. Por outro lado, a temperatura desenvolvida pelo atrito pode reduzir a resistência e a dureza do metal e facilitar a oxidação ou outro ataque químico, tornando as superfícies mais suceptíveis ao desgaste.

Admite-se que o desgaste abrasivo seja causado pela penetração na superfície do metal de partículas não-metálicas de caráter abrasivo, ocasionando o arrancamento de partículas metálicas.

Quaisquer que sejam as explicações das causas que produzem o desgaste metálico ou o desgaste abrasivo, é certo que os mesmos são reduzidos pelo melhor acabamento das su­perfícies em contato e pelo aumento da dureza e da resistência mecânica do metal.

Em outra palavras, a resistência ao desgaste dos metais depende dos seguintes fatores:

– acabamento da superfície metálica, a qual deve se apresentar tão macia e plana quanto possível, de modo a eliminar depressões e projeções que ao coincidirem umas com as ou­tras, produzem o arrancamento de partículas além de proporcionar, pela energia produzida, uma elevação de temperatura;

– dureza, a qual deve ser elevada, para que o metal resista à penetração inicial;

– resistência mecânica e tenacidade que, quanto mais altas, mais dificultarão o arrancamento das partículas metálicas, quaisquer que sejam as causas passíveis de produzir tal efeito.

A dureza é o fator mais importante, pois dele depende o início do desgaste.

Outro fator também ponderável e que deve ser levado em devida conta é a estrutura metalográfica do material. De fato, num metal apresentando um sistema de duas fases, a presença de partículas relativamente grandes de um constituinte de baixa dureza e, portan­to, vulnerável ao desgaste, numa matriz dura prejudica a sua resistência ao desgaste, ain­da que o conjunto seja duro, ao passo que se a estrutura apresenta um constituinte possu­indo partículas duras – carbonetos geralmente – numa matriz mais mole, ela possuirá maior resistência ao desgaste, principalmente quando essas partículas duras não forem excessi­vamente frágeis e quando forem de pequenas dimensões e uniformemente distribuídas na matriz.

O requisitos de alta dureza, elevados valores de resistência e tenacidade e estrutura adequada são conseguidos nos aços mediante os seguintes artifícios:

– composição química conveniente, pela introdução em altos teores de determinados ele­mentos de liga;

– tratamentos térmicos ou termo-químicos de aços de composições apropriadas;

Assim sendo, a resistência ao desgaste dos metais pode ser obtida mediante os seguin­tes meios:

– mecânicos, pelo trabalho a frio ou encruamento proporcionados por laminação, estiramento ou deformação a frio; ou pela aplicação do processo de "jacto-percussão" ou "jacto-abrasivo" nas superfícies das peças;

– térmicos – pela têmpera total ou têmpera superficial (por chama ou por indução);

– termo-químicos, pêlos tratamentos de cementação, nitretação, etc.;

– revestimentos superficiais, pela aplicação de "cromoduro", siliconização, eletrodeposição, metalização,etc.

2. AÇOS-MANGANÊS AUSTENÍTICOS

O melhor meio de elevar a dureza do aço e, consequentemente a sua resistência ao desgaste, é pelo encruamento de determinados tipos de aços austeníticos onde a austenita é pouco estável e que, pelo encruamento, quando colocados em serviço, podem ser tornados martensíticos. Tais são os "aços-manganês austeníticos".

Um dos precursores desse tipo de aço foi Hadfield, cujo nome identifica o tipo por ele desenvolvido, com 1,2% de carbono e 12% de manganês. Esse aço é ainda hoje o principal do grupo de aços resistentes ao desgaste, de natureza austenítica.

O êxito da utilização do aço Hadfield para peças submetidas ao desgaste deve-se a duas propriedades: endurecimento superficial propiciado pelo trabalho e tenacidade. Esses aços, contudo, estão sujeitos a um fenômeno de fragilização intergranular, que é muito prejudicial e levam, frequentemente à rejeição de peças ou perda das mesmas por falhas em serviço.

Os tipos comerciais apresentam o carbono entre 1,0% e 1,4% e o manganês entre 10% e 14%, havendo uma tendência a utilizar-se teor de carbono de 1,2% e manganês de 12% e 13%.

O diagrama de equilíbrio para 13% de manganês está representado na figura 1.

clip_image002

Fig. 1: Diagrama de equilíbrio para aço-C-Mn, com 13% Mn.

Fonte: Chiaverini

Do seu exame concluiu-se:

– o eutetóide apresenta baixo teor de carbono;

– a austenita é tão estável que ela não se transforma, mesmo com velocidades de esfriamento moderadas.

A figura 2 apresenta o diagrama de transformação isotérmica de um aço contendo 1,28%C, 12,4% Mn, 0,35% Si, 0,009% S, 0,30% P, 0,28% Ni e 0,23% Cu, austenitizado durante 30 minutos.

clip_image004

Fig. 2. Fonte: Chiaverini

Essa transformação começa entre 300 e 700°C com a precipitação de carbonetos intergranulares após alguns segundos de período de incubação. Passado esse período, sur­gem carbonetos aciculares, em torno de 600°C num período de incubação mais longo, da ordem de um minuto. A transformação perlítica é muito lenta e a perlita aparece após um longo período de incubação, numa faixa de temperatura mais estreita do que a dos carbonetos aciculares.

Os outros elementos presentes nos aços-manganês austeníticos são: silício, com o objetivo principalmente de desoxidação, raramente ultrapassa 1%; entretanto, às vezes pode ser utilizado em teores até 2%, para produzir um certo aumento do limite de escoamento e certa resistência à deformação plástica sob choques repetidos; enxofre, cujo teor não é crítico, devido a alta quantidade de manganês presente; fósforo, cujo teor máximo pode atingir 0,10%, preferindo-se, entretanto, cerca de 0,06% no máximo para garantir boa soldabilidade ao aço; outros elementos, como níquel, molibdênio, cromo, cobre e vanádio podem ser adicionados para melhorar o limite de escoamento, a usinabilidade, etc. Uma das adições comuns é certa quantidade de cromo (até 2%) que aumenta o limite de escoamento, mas pode reduzir a ductilidade.

2.1. TRATAMENTO TÉRMICO DOS AÇOS HADFIELD

A estrutura fundida ou laminada do aço-manganês contêm carbonetos e outros produtos de transformação que conferem grande fragilidade ao aço: sua resistência à tração é de cerca de 42 a 49 kgf/mm2 (410 a 480 MPa) com alongamento e estricção às vezes inferiores a 1%.

As propriedades mecânicas normais desses aços são obtidas com um tratamento de austenitização a uma temperatura suficientemente alta para assegurar completa solução dos carbonetos, seguida de resfriamento muito rápido – em água. A temperatura de austenitização situa-se entre 1000°C e 1065°C. O tempo de permanência à temperatura não é considerado crítico.

Após o resfriamento em água, o aço torna-se mais resistente e mais dúctil, apresentando um alongamento que pode variar de 30% a 60%, uma dureza Brinell de 180 a 220, limite de-escoamento de 30 a 42 kgf/mm2 (290 a 410 MPa) e limite de resistência à tração de 57 a 100 kgf/mm2 (560 a 980 MPa).

O valor da dureza, entretanto, tem pouco significado, tanto no que se refere à resistência ao desgaste como à usinabilidade do aço, porque ela aumenta consideravelmente, por encruamento, quando o aço começa a sofrer o efeito das condições de serviço.

A Tabela 1 mostra valores representativos das propriedades mecânicas de aços-manganês dos tipos comerciais, no estado fundido sem e com tratamento térmico e no estado laminado com tratamento térmico.

clip_image006

Tabela 1. Fonte; Chiaverini

A resistência ao choque também é muito elevada, podendo atingir valores da ordem de 14 a 15 kgfm (137 a 147J) (corpos de prova tipo Charpy).

O encruamento que se verifica no aço-manganês austenítico quando em serviço – geral­mente devido a golpes – eleva a sua dureza de cerca de 200 Brinell no estado tratado (resfriado em água) a 500-600. Provavelmente nenhum outro aço supera o aço Hadfield na capacidade de endurecer pelo encruamento.

Os aço-manganês austeníticos, devido suas propriedades de tenacidade, resistência ao desgaste e ainda não-magnéticas, têm suas mais importantes aplicações nas indústrias de construção, mineração, exploração de pedreiras, perfuração de poços de petróleo, fabrica­ção de cimento e produtos cerâmicos, estradas de ferro, dragagem, etc., na forma de peças para equipamento de manuseio de materiais, britadores, moinhos de bola, caçambas de dragas, caçambas de escavadeiras, bombas para trabalho em pedras e rochas, assim como em peças de linhas ferroviárias, como jacarés, chaves e cruzamentos. Por outro lado, como eles suportam igualmente o desgaste metálico (metal contra metal) são empregados em rodas dentadas ou pinhões para correntes, engrenagens, rodas, correntes de transportado­res, sapatas, etc.

2.2 ADIÇÃO DE OUTROS ELEMENTOS DE LIGA NO AÇO HADFIELD

Cromo, níquel e cobre têm sido adicionados ao aço-manganês. O cromo parece melhorar a dureza do aço-manganês antes do encruamento; por exemplo, um aço-manganês Hadfield sem cromo com dureza Brinell 200, antes do tratamento térmico apresentará dureza de 220 com 1,5% de cromo e cerca de 280 com 2,0% de cromo. Por outro lado, a adição de cromo parece exigir menor quantidade de encruamento ou deformação para a obtenção da dureza superficial necessária nesses aços. Nessas condições, o cromo tem sido acrescentado toda vez que as peças forem sujeitas a desgaste de natureza principalmente abrasiva (com ausência, de choque que possa desenvolver rapidamente a dureza superficial), tais como em peças de máquinas destinadas ao britamento, moagem ou transporte de material leve e de pequenas dimensões tais como areia e pedregulho.

Às vezes adiciona-se cobre nos aços-manganês-cromo, sobretudo quando o cromo é elevado – da ordem de 5% – com o objetivo de melhorar sua ductilidade.

O níquel tem sido um elemento de adição útil nos aços-manganês austeníticos de carbo­no mais baixo que o normal, que após austenitizados podem ser resfriados ao ar para a obtenção da necessária ductilidade. Aços com 0,60% e 0,90% de carbono, cerca de 3,0% de níquel e 12% de manganês são usados para eletrodos de solda, na forma de barras ou fios laminados ou trefilados e em certas peças fundidas ou trabalhadas.

2.3 CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS AÇOS-MANGANÊS TIPO HADFIELD

A usinabilidade desses materiais é de natureza complexa. Tais aços são muitos tenazes e além disso encruam nos pontos de contato com a ferramenta de corte, de modo que uma técnica especial de usinagem é usada, quando essa operação se torna necessária, devendo-se para isso empregar ferramentas de metal duro (carboneto de tungsténio sinterizado) ou aço rápido ao cobalto.

Esses aços não podem ser usados a temperaturas superiores a 260°C, porque tornam-se frágeis, provavelmente devido à transformação parcial da austenita meta-estável.

CONCLUSÃO

Em comparação com a maioria das ligas ferrosas resistentes à abrasão, os aços-manganês apresentam maior tenacidade e um custo moderado e é por estas razões que são selccionados para uma grande variedade de aplicações abrasivas. São em geral menos resistentes à abrasão que os ferros fundidos brancos martens/ticos e os aços de alto carbono martensíticos, mas são mais resistentes à abrasão que os ferros fundidos brancos perlíticos e os aços perlíticos.

O tipo de abrasão ao qual o aço-manganês é exposto tem uma considerável influência sobre sua resistência ao desgaste. Os aços-manganês têm excelente resistência ao desgaste metal-metal, como no caso de polias de garganta, ro­das de guindastes e rodas de vagões para mineração. Apresentam uma resistência razoavelmente boa à abrasão por sulcamento (como em equipamentos para manu­seio e cominuição de rochas), uma resistência intermediária à abrasão sob altas tensões (com esmagamento), como revestimentos de moinhos de bolas e uma resistência, relativamente baixa à abrasão sob baixas tensões (como riscamento), como em equipamento para o manuseio de areia ou pastas de areia.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

CHIAVERINI, Vicente. Aços e Ferros Fundidos. 6ª Edição. São Paulo, SP. 1988.

COUTINHO, Carlos Bottrel. Materiais Metálicos para Engenharia. 2ª Edição. São Paulo, SP. 1992.

Anúncios
Esse post foi publicado em Uncategorized. Bookmark o link permanente.

Uma resposta para Aços Resistentes ao Desgaste

  1. Pingback: Aços com elevada resistência ao desgaste – Engenheiro de Materiais

Deixe um comentário

Preencha os seus dados abaixo ou clique em um ícone para log in:

Logotipo do WordPress.com

Você está comentando utilizando sua conta WordPress.com. Sair / Alterar )

Imagem do Twitter

Você está comentando utilizando sua conta Twitter. Sair / Alterar )

Foto do Facebook

Você está comentando utilizando sua conta Facebook. Sair / Alterar )

Foto do Google+

Você está comentando utilizando sua conta Google+. Sair / Alterar )

Conectando a %s