Resistência do aço

Tribologia é a ciência (e tecnologia) que trata da interação de superfícies em movimento relativo . Esta área do conhecimento incorpora o estudo da fricção, lubrificação e desgaste .

Existem casos em que uma baixa fricção é desejável, como, por exemplo, em caixas de câmbio de automóveis e nas nossas articulações . Em oposição, existem casos em que uma alta fricção é desejável, como nos sistemas de freios e nas embreagens automotivas.

O que é desgaste?

Independente do caso, sempre que duas superfícies se movimentam, uma em relação à outra, ocorre desgaste , que pode ser definido como um prejuízo mecânico a uma ou duas superfícies , geralmente envolvendo perda progressiva de material.

Em muitos casos, ele é prejudicial , levando a um aumento contínuo da folga entre as partes que se movimentam ou à perda de precisão. Entretanto, assim como na fricção, altas taxas de desgaste são algumas vezes desejáveis , como em operações de lixamento e polimento.

Existem, basicamente, dois tipos de desgaste: por deslizamento e aquele causado por partículas duras .

Desgaste por deslizamento

O desgaste por deslizamento ocorre através de diferentes mecanismos. Talvez o mais importante seja aquele que envolve adesão - chamado desgaste adesivo. O deslizamento entre duas superfícies, sob um determinado carregamento, leva a uma contínua formação e destruição de “ilhas” de asperezas . A consequência é a remoção de material da superfície do componente menos duro .

Desgaste por partículas duras

O desgaste por partículas duras pode envolver os tipos de desgaste abrasivo e erosivo . No desgaste abrasivo, faz-se uma distinção entre o abrasivo por dois corpos e por três corpos. A abrasão por dois corpos é causada pelas protuberâncias (duras) na superfície oposta de contato, ou simplesmente pela diferença de dureza, ou de rugosidade das duas superfícies de contato.

Já para a abrasão por três corpos, partículas duras se posicionam e rolam entre as superfícies. Estas partículas duras podem estar presentes na forma de contaminantes (partículas de areia, por exemplo) ou podem ser geradas localmente por algum dos mecanismos envolvidos no desgaste por deslizamento puro (por partículas do próprio material).

A lubrificação e fatores ambientais - como a umidade - podem exercer grande influência no desgaste por abrasão . O efeito da lubrificação no desgaste abrasivo diverge bastante daquele encontrado para o desgaste por deslizamento. A lubrificação, no desgaste por deslizamento, tende a atenuar o desgaste através da redução da resistência do aço ao cisalhamento das “ilhas” de asperezas, bem como pela incidência e severidade do contato entre estas asperezas.

Entre superfícies relativamente lisas, películas de lubrificantes podem ser criadas muito rapidamente. Partículas abrasivas, entretanto, serão frequentemente maiores do que a espessura da película de lubrificante , de forma que este não pode impedir o contato entre a partícula e a superfície oposta. Assim, no desgaste abrasivo, a lubrificação não resultará em uma considerável redução do desgaste , como observado no caso da ausência de partículas duras, sendo que, frequentemente, resulta em um aumento do desgaste.

Por exemplo, a taxa de desgaste abrasivo para metais sob condições de dois corpos pode ser fortemente aumentada quando a lubrificação por óleo é introduzida . Este efeito ocorre porque o lubrificante diminui a fricção entre uma partícula abrasiva e a superfície metálica, de forma que a eficiência de corte (ou remoção de material da superfície) é maior - não ocorrerá “empastamento” da partícula abrasiva na superfície - acentuando o desgaste.

Desgaste é muitas vezes negligenciado no projeto, que pode levar a prejuízos financeiros decorrentes de substituições prematuras de componentes e queda de produtividade. Portanto, o desgaste deve ser sempre considerado nos primeiros estágios e não ser deixado de lado até se tornar um problema.

Quando existe um movimento relativo entre superfícies, o desgaste não pode ser completamente eliminado, ainda que, por vezes, possa ser reduzido a níveis insignificantes. A taxa de desgaste em um sistema particular é determinada pela interação de muitos fatores.

Fatores que influenciam a taxa de desgaste

Estes fatores podem ser divididos em dois grupos:

1. Fatores de estrutura do sistema mecânico;
2. Variáveis de operação imposta nessa estrutura.

A estrutura pode ser definida pelos materiais que fazem parte do par , a natureza de algum material presente na interface (lubrificação ou partículas abrasivas, por exemplo), o ambiente externo (gás ou líquido), etc. As variáveis de operação são condições impostas no sistema durante o uso, tais como velocidade de operação, carregamento e temperatura . Estes fatores podem influenciar na taxa de desgaste desenvolvida em um determinado sistema, sendo que o projetista pode controlar a maioria destes.

Uma variável de estrutura importante a ser considerada diz respeito à escolha de materiais . O desempenho relativo de diferentes materiais varia de acordo com a aplicação a que se destina o componente, isto é, depende fortemente do mecanismo de desgaste dominante no sistema. Em geral, maiores taxas de desgaste são observadas para metais que deslizam contra metais do que para não-metais que deslizam contra metais ou não-metais. A maioria dos metais, deslizando contra os mesmos metais (par similar), produz altas taxas de desgaste .

A dureza do aço é um fator importante quando se pensa em resistência ao desgaste . Para que esta dureza seja alcançada , existem várias técnicas passíveis de aplicação , como o tratamento térmico, termoquímico, e ainda através da adição de elementos de liga ao aço.

Métodos específicos de aumento da resistência do aço ao desgaste

Revestimentos superficiais

• Cromo duro: a aplicação de cromo duro é um método eficaz para aumentar a resistência ao desgaste do aço. Nesse processo, uma camada de cromo é depositada na superfície do aço por meio de técnicas como eletrodeposição. O cromo confere uma dureza adicional à superfície, reduzindo significativamente o desgaste causado pelo atrito e pela abrasão .
• Nitretação: a nitretação é outro processo utilizado para melhorar a resistência ao desgaste. Durante esse tratamento, o aço é exposto a atmosferas ricas em nitrogênio a temperaturas elevadas. Isso resulta na formação de camadas superficiais ricas em nitretos, aumentando a dureza e resistência à abrasão do aço . Além disso, a nitretação também contribui para a melhoria da resistência à fadiga.

Tratamentos térmicos específicos

• Têmpera: a têmpera é um tratamento térmico crucial para aumentar a dureza do aço. Durante o processo de têmpera, o aço é aquecido a altas temperaturas e, em seguida, resfriado rapidamente em um meio como água ou óleo. Isso resulta em uma estrutura martensítica, proporcionando alta dureza à superfície do aço e, consequentemente, aumentando sua resistência ao desgaste.
• Revenimento: após a têmpera, o aço pode se tornar muito rígido e frágil. O revenimento é um processo subsequente no qual o aço temperado é aquecido a temperaturas mais baixas, aliviando parte da tensão interna sem comprometer a dureza total. Isso melhora a tenacidade e a resistência ao desgaste do aço , tornando-o mais adequado para aplicações onde são necessárias propriedades mecânicas equilibradas.

Ligas específicas e adições de elementos

• Carbono: a adição controlada de carbono ao aço pode aumentar consideravelmente sua dureza. No entanto, é crucial equilibrar a quantidade de carbono para evitar a fragilidade excessiva. Ligas de aço com teores específicos de carbono são frequentemente empregadas em aplicações que demandam alta resistência ao desgaste, como ferramentas de corte e engrenagens.
• Cromo: a adição de cromo forma ligas conhecidas como aços cromados , que apresentam excelente resistência à corrosão e desgaste. Essa resistência é resultado da formação de óxidos de cromo na superfície do aço, proporcionando uma camada protetora.
• Vanádio: o vanádio é frequentemente utilizado como elemento de liga para melhorar a resistência ao desgaste . Ele forma carbonetos de vanádio, contribuindo para o aumento da dureza e tenacidade do aço. Essas ligas são comumente utilizadas em ferramentas de corte e peças sujeitas a desgaste intenso.

Ao combinar esses métodos, é possível criar ligas de aço com propriedades específicas que atendam às demandas de resistência ao desgaste em uma variedade de aplicações industriais . Essas técnicas não apenas prolongam a vida útil dos componentes de aço, mas também melhoram seu desempenho em condições adversas.