10 Principais Benefícios do Aço Endurecido

Ao contrário do aço endurecido, os aços de baixo carbono endurecidos e os aços de liga tornam-se resistentes, fortes e duros sem serem quebradiços.

Existem muitas aplicações, como engrenagens e mancais de contato rolante, em que os componentes são submetidos a cargas de choque e desgaste devido a uma combinação de contato deslizante e rolante com superfícies de contato em movimento relativo. (Para saber mais sobre este tópico, leia Compreendendo a carburação: os impactos positivos e negativos nos metais.) Tais aplicações requerem materiais especiais que são processados ​​por meio de tratamento térmico controlado. O endurecimento da caixa é um desses processos de tratamento térmico.

O que é endurecimento do aço?

O endurecimento da caixa é um processo pelo qual a superfície de um metal é reforçada formando uma fina camada de uma liga de metal mais dura sobre o núcleo mais macio do metal original.

Os metais sólidos contêm moléculas e átomos compactados em estruturas cristalinas. (Esta estrutura é examinada no artigo A estrutura cristalina dos metais.) Quando o carbono se difunde na estrutura cristalina a partir de matéria contendo carbono nas superfícies de aço com baixo teor de carbono ou liga de aço, a resistência e a dureza da camada externa aumentam dramaticamente. A profundidade da caixa externa de difusão de carbono pode ser controlada com precisão, determinando assim as propriedades mecânicas da caixa.

Endurecimento de materiais ferrosos é realizado através de dois métodos principais: através de endurecimento e endurecimento de caixa.

Durante o endurecimento total, a peça componente é aquecida de tal forma que tanto a superfície quanto o núcleo interno tornam-se uniformemente mais duros. As peças que requerem endurecimento são aquecidas em um alto teor de carbono ambiente para garantir o endurecimento uniforme de toda a massa das peças. Através do endurecimento pode, no entanto, tornar toda a massa de metal quebradiça.

O método de cementação visa superar este problema de formação de massa frágil.

Os principais benefícios do endurecimento do aço são discutidos nas seções a seguir.

1. A têmpera aumenta a durabilidade e a economia de uso das peças de aço

Um dos principais benefícios do endurecimento de caixa é a maior durabilidade que ele oferece às peças de aço. A resistência mecânica e a dureza superficial desenvolvidas pelo endurecimento da caixa, bem como a retenção do núcleo macio, aumentam significativamente a resistência ao desgaste e a vida à fadiga dos componentes. A retenção de um núcleo mais macio melhora a capacidade de absorção de energia liberada por cargas de impacto e, assim, contribui para a longevidade e vantagem econômica.

2. Endurecimento permite o uso de aço com usinabilidade superior para aplicações pesadas

Normalmente, as ligas usadas para aplicações pesadas têm baixa usinabilidade porque precisam ser mais duras e mais fortes. Nesse contexto, o processo de endurecimento permite o uso de aço de baixo carbono com usinabilidade de precisão para aplicações em armas e armas de fogo e outros usos pesados ​​semelhantes que exigem resistência mecânica, acabamentos finos e geometria precisa. O endurecimento subsequente após a usinagem proporciona maior resistência ao desgaste e dureza na superfície das peças usinadas com precisão.

3. O aço endurecido aumenta o desempenho dos rolamentos de rolos cônicos

O endurecimento da caixa deixa um núcleo mais macio que é vantajoso para acomodar uma condição de desalinhamento comum em rolamentos de rolos cônicos. Uma camada de superfície forte com um núcleo interno macio garante resistência à fratura em um ambiente operacional extremo que inclui desalinhamento, vibração e cargas de choque severas. Os anéis de rolamento e os elementos rolantes são cementados para garantir sua adequação a cargas de choque e uma combinação de cargas axiais com cargas axiais.

4. Case Hardening leva à redução de ruído e economia de energia para engrenagens de turbinas eólicas e outros equipamentos pesados

O aço endurecido é bem conhecido pela resistência à fratura sob condições de carga de impacto. Os aços endurecidos são preferidos para componentes de engenharia, como eixos de comando de válvulas, componentes de ligação, pinhões de acionamento e juntas universais. Esses componentes são essenciais para navios, caminhões, máquinas de movimentação de terra e carros de corrida. Como os componentes de aço endurecido podem suportar tensões cíclicas, eles são usados ​​para produzir engrenagens de turbinas para usinas hidrelétricas e usinas a vapor. Devido à sua resistência à fadiga e resistência superior ao desgaste, os componentes de aço endurecido também são usados ​​em laminadores de metal, guindastes pesados, máquinas de mineração e outras aplicações de engenharia mecânica.

Para engrenagens de turbinas eólicas, o processo de cementação passou por mais desenvolvimentos técnicos para enfrentar os desafios de cargas extremas causadas por aumentos repentinos na velocidade do vento e a necessidade de aplicar paradas bruscas nas turbinas eólicas.

Embora a seleção adequada de material e as melhorias no endurecimento da camada visem reduzir significativamente o ruído produzido pela operação da caixa de engrenagens, o nível de ruído aumenta inerentemente devido ao desgaste abrasivo dos dentes da engrenagem. Portanto, ligas de aço com capacidade de endurecimento profundo são escolhidas para maior resistência à abrasão e maior vida útil à fadiga. Aumentar o teor de molibdênio do aço melhora sua temperabilidade. A redução do desgaste abrasivo, do ruído e da vibração diminui o desperdício de calor produzido pelas engrenagens, contribuindo para a economia de energia durante a operação da turbina. O endurecimento da caixa melhora o desempenho dos eixos de comando que são submetidos a cargas de impacto severas em aplicações de engenharia.

5. O endurecimento permite a formação de tensões compressivas residuais nos dentes da engrenagem

De acordo com um estudo, o endurecimento das engrenagens permite a formação de tensões compressivas residuais tanto na profundidade da caixa quanto na superfície, o que evita a formação de trincas e neutraliza as tensões de flexão. Os métodos avançados de endurecimento por indução permitiram o endurecimento preciso de engrenagens cônicas espirais, pinhões, engrenagens hipóides e engrenagens helicoidais de geometria complexa.

Outras vantagens do endurecimento por indução avançado incluem longa vida útil, eficiência energética, endurecimento preciso e minimização da deformação da peça devido ao controle superior sobre o processo de aquecimento.

6. Rolamentos feitos de aço endurecido têm resistência superior à fratura

Rolamentos feitos de aço endurecido, como rolamentos de rolos cônicos e rolamentos de rolos cilíndricos, têm alta resistência à fratura e tenacidade, em comparação com rolamentos de aço temperado. O endurecimento da caixa evita a falha catastrófica dos rolamentos porque a resistência à fadiga é melhorada.

Os rolamentos de rolos cilíndricos e cônicos endurecidos são usados ​​em equipamentos de movimentação de terra, escavadeiras, equipamentos de perfuração, bombas de sucção, prensas e máquinas de lavar. Os rolos usados ​​em rolamentos de elementos rolantes são essencialmente endurecidos para aumentar sua capacidade de absorver cargas de choque. As pistas interna e externa dos rolamentos de rolos cônicos grandes também são endurecidas porque devem aceitar cargas radiais e axiais. Os copos e os cones também são endurecidos.

7. Endurecimento de camada (nitretação) com endurecimento duplex melhora a resistência à corrosão e à abrasão

A nitretação da caixa com endurecimento martensítico (endurecimento duplex) de aços de rolamento leva a resistência superior à corrosão e resistência à abrasão. Esses rolamentos podem operar em condições de falta de lubrificante e são usados ​​em aplicações de alta velocidade, como motores de aeronaves.

8. A soldabilidade do aço é melhorada pelo endurecimento

O endurecimento da caixa melhora a soldabilidade do aço, o que é importante para certas aplicações de engenharia.

9. Endurecimento de Engrenagens por Nitretação Minimiza a Distorção

O endurecimento de engrenagens de aço por nitretação produz superfícies de suporte de carga resistentes ao desgaste e de baixo custo com distorção mínima. Superfícies nitretadas não perdem sua dureza em temperaturas próximas a 150°C (302°F), como é o caso dos aços cementados. (Leia também: Nitretação para Corrosão e Resistência à Fadiga por Desgaste.)

10. O endurecimento de camada produz maior resistência à fadiga para dentes de engrenagem

Os dentes de suporte de carga das engrenagens de transmissão de força para serviço pesado são quase necessariamente sempre endurecidos. Em um cenário típico de fabricação de engrenagens, o custo do tratamento térmico representa aproximadamente 30% do custo total, perdendo apenas para o custo do processo de produção em 55%. Um processo de cementação escolhido corretamente contribui para economia de energia, controle de custos, confiabilidade, facilidade de manutenção e facilidade de manutenção. Para obter resistência superior à flexão e à fadiga na raiz dos dentes, a dureza da superfície e as tensões compressivas residuais resultantes do endurecimento da caixa são fatores críticos.

Conclusão

O aço endurecido é preferido em aplicações onde os componentes são submetidos a cargas de choque, vibração e condições de desalinhamento. Ao contrário do aço endurecido, os aços de baixo carbono endurecidos e os aços de liga tornam-se resistentes, fortes e duros sem serem quebradiços. O endurecimento da caixa também resulta em uma superfície resistente ao desgaste que oferece durabilidade e confiabilidade.

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