Desgaste por fretting em ferramentas e peças de aço ferramenta

O que é fretting e como reconhecê-lo

Fretting é desgaste adesivo que precisa de movimento relativo para ocorrer, e o movimento é pequeno. Duas superfícies ajustadas firmemente são submetidas a um movimento relativo cíclico de amplitude extremamente pequena, geralmente resultado de vibração na máquina ao redor delas, e o contato entre elas precisa ter algum deslizamento para que ocorra dano. O fretting é frequentemente acompanhado de corrosão, e em peças ferrosas ao ar o produto é o óxido férrico marrom-avermelhado que dá ao processo seu outro nome. Misturado com óleo ou graxa, esse detrito é conhecido nas oficinas como cacau, sangue ou lama vermelha.

O indício prático é onde o detrito aparece. Em uma junta lubrificada o suficiente para que não se espere corrosão comum, um pó marrom-avermelhado é evidência de fretting, e essa leitura vale quer a junta seja um ajuste prensado, uma chaveta ou um flange parafusado. Em um componente não lubrificado o mesmo pó pode simplesmente significar desgaste, porque ali o metal estava livre para oxidar de qualquer forma. O fretting também ocorre em materiais que não podem oxidar no sentido comum, incluindo ouro, platina e óxido cúprico, e em atmosfera inerte produz muito pouco detrito, razão pela qual a presença de detrito é evidência e a ausência não é prova.

Os nomes sob os quais o dano por fretting é publicado, e o caso que cada um descreve. Compilado a partir da seção de abertura do artigo Fretting Wear Failures.

A amplitude decide tudo

A pequena amplitude do movimento é a razão pela qual o fretting danifica uma junta que um cálculo normal de desgaste consideraria segura. Em um contato analisado como uma esfera sobre uma superfície plana, o centro do contato permanece travado e o deslizamento ocorre apenas em um anel externo, então o dano começa como um anel. À medida que a amplitude aumenta o anel se alarga, mas o raio externo permanece fixo, e é necessária uma amplitude ainda maior para que o deslizamento cubra todo o contato. As medições abaixo são os limiares que a fonte relata em aço, e eles definem a escala de todo o problema. O dano é detectável a uma amplitude de 0,06 micrômetros, que é um movimento pequeno o suficiente para ser invisível, e a amplitude na qual o processo se torna deslizamento alternado comum é mais de mil vezes maior.

Limiares de amplitude de deslizamento medidos em contatos de aço, desde o primeiro dano detectável até a amplitude na qual o processo deixa de se comportar como fretting. Fonte, a seção de amplitude de deslizamento do artigo Fretting Wear Failures.

A baixa velocidade relativa que acompanha uma pequena amplitude também altera o contato. A uma frequência de 25 hertz e uma amplitude de 25 micrômetros, a velocidade média das duas superfícies é de 1,25 mm por segundo, contra velocidades de deslizamento da ordem de 1 m por segundo em um rolamento, de modo que os detritos que se formam permanecem onde foram gerados em vez de serem lançados para fora. Podem ser compactados sob a carga de contato e podem nunca ser expostos à atmosfera, razão pela qual os detritos dentro de uma junta com fretting frequentemente parecem diferentes do pó solto fora dela. As asperezas também se imprimem na superfície oposta quando essa superfície tem o melhor acabamento, de modo que a rugosidade de uma parte da junta aparece como um padrão na outra.

Onde causa dano real

Os locais comuns são aqueles onde uma junta fixa suporta uma carga. Contatos entre cubos, ajustes por encolhimento e prensagem e alojamentos de rolamentos em eixos rotativos carregados são particularmente propensos, e em um eixo o problema é mais de fadiga do que de desgaste, porque o movimento que danifica a superfície vem da tensão alternada dentro do eixo e o dano então se torna o iniciador de trinca para a falha por fadiga. Em rolamentos de casca fina, o ajuste de interferência entre a casca e seu alojamento é o que mantém o conjunto imóvel, e onde a pressão de contato é muito baixa a casca se move, sofre fretting e o rolamento falha de fora para dentro. Estrias e acoplamentos flexíveis que existem para acomodar um leve desalinhamento sofrem fretting severo por projeto. Em turbinas, a junta disco-eixo e a fixação em rabo de andorinha ou em árvore de pinheiro das palhetas são os locais onde o fretting inicia trincas de fadiga, enquanto os amortecedores nas pontas das palhetas perdem material e permitem que as palhetas vibrem mais intensamente.

Juntas rebitadas e parafusadas são o mesmo problema em forma diferente. Não existe junta estática em uma aeronave, e mesmo uma única junta rebitada oferece três locais distintos de fretting, entre as chapas, entre a cabeça do rebite e a chapa, e entre o corpo e o furo. Molas de lâminas sofrem fretting entre suas placas, e um cabo de aço sofre fretting em cada contato entre fios, onde em um cabo de enrolamento travado os detritos têm volume maior que o metal de origem e forçam os fios a se separarem, deixando o lubrificante sair e a atmosfera entrar. Tubos de geradores de vapor e trocadores de calor sofrem fretting contra seus suportes sob vibração induzida pelo escoamento. O fretting também não precisa de um ciclo de carga para aparecer, pois um rolamento transportado em um caminhão ou trem sofre fretting entre as esferas e a pista enquanto o eixo está parado, que é a falha que a indústria chama de falsa brunidura.

O lado da fadiga é o mais caro

O dano por fretting e a fadiga se combinam, e a combinação é muito pior do que qualquer um isoladamente. Um ensaio relatado em 1941 descobriu que as cavidades de fretting no comprimento de referência de um corpo de prova de fadiga de aço reduziram a resistência à fadiga em 13 a 17 por cento. Trabalhos posteriores sobre os dois agindo juntos, que é o caso usual na prática, forneceram fatores de redução de resistência de 2 a 5 e maiores. A razão é visível na divisão da vida. Na fadiga comum, a iniciação de trinca pode representar cerca de 90 por cento da vida total, de modo que uma trinca que se inicia cedo custa pouco da vida total. Quando o fretting está presente, a mesma iniciação representa cerca de 55 por cento da vida, o que significa que quase metade da vida em fadiga é consumida antes que haja qualquer trinca a detectar. Esse é o mecanismo pelo qual uma junta que suporta carga e se move encurta a vida da peça que ela fixa, e é por isso que as medidas de rugosidade, revestimento e jateamento importam mais para a trinca do que para a perda de metal.

O que realmente o reduz

A primeira questão a responder sobre um contato com fretting é se o movimento é controlado por força ou controlado por deslocamento, porque os dois exigem tratamento oposto. No fretting controlado por força, o contato está em deslizamento parcial, e aumentar o coeficiente de atrito ou a carga normal reduz a quantidade de deslizamento, o que reduz o dano. No fretting controlado por deslocamento, o deslizamento cobre toda a interface e a amplitude é fixada pelo entorno, de modo que a maneira de reduzir o desgaste é reduzir a carga normal e o atrito. Escolher a alavanca errada entre essas duas piora o problema.

Além disso, a fonte percorre projeto, condição superficial, revestimentos, insertos e lubrificantes, e cada um tem um limite que vale a pena conhecer antes de ser especificado. Um detalhe vai contra a intuição e vale a pena declarar claramente, que é que uma superfície rugosa sofre menos fretting do que uma altamente polida, de modo que um acabamento espelhado em uma face de contato não é uma cura para o fretting.

As medidas que a fonte lista contra o dano por fretting, com o mecanismo pelo qual cada uma funciona e o ponto em que deixa de ajudar. Fonte, a seção de prevenção de dano por fretting do artigo Fretting Wear Failures.

O que isso significa em um pedido de aço ferramenta

O fretting é um problema de projeto de junta que acaba se tornando uma questão de aço ferramenta quando as medidas escolhidas são metalúrgicas. Três delas pertencem a uma discussão de compra. Uma superfície nitretada ou cementada nas peças que se movem uma contra a outra, porque esses tratamentos são estabelecidos contra o fretting assim como contra o desgaste, com a profundidade da camada escolhida para o serviço e não para o desenho. Um aço limpo e são o suficiente para iniciar uma trinca de fadiga tardiamente, porque a trinca é o que custa a vida e os detritos são apenas a parte visível do dano. E uma combinação de dureza e tenacidade que se adequa à junta e não à ferramenta, já que um revestimento mais duro que o substrato sobre o qual se assenta trinca e se rompe assim que o substrato cede. A maneira como as cavidades e marcas deixadas pelo fretting são interpretadas em relação a outros modos de dano está em o gráfico de identificação de modos de dano, a trinca por fadiga que se segue é abordada em Falha por Fadiga em Aço Ferramenta, e os próprios tratamentos de superfície estão reunidos em tratamento a vapor para vida útil da ferramenta e em Tratamento Térmico de Aço Ferramenta para Trabalho a Quente. As famílias de classes resistentes ao desgaste e seus dados de ensaio medidos estão em Aços-ferramenta resistentes ao desgaste abrasivo, aços ferramenta resistentes ao desgaste adesivo e Dados de ensaio de desgaste abrasivo de aço para ferramentas, o lado relacionado ao impacto está em Desgaste por Impacto e Lascamento de Ferramentas, e a forma como qualquer tipo de dano é classificado antes de ser explicado está descrita em Análise de falha de ferramentas e matrizes. Quando a junta é um ajuste por contração em um eixo endurecido, a tensão residual na qual o ajuste se encontra é reportada conforme descrito em Medição de Tensão Residual em Ferramental.

Fonte: ASM Handbook, Volume 11, Failure Analysis and Prevention, ASM International, 2002.