Coeficientes de Desgaste e Regras de Projeto para Aço Ferramenta

Um número de desgaste que compara entre mecanismos

O coeficiente de desgaste é a forma clássica de colocar situações de desgaste muito diferentes em uma única escala. É o volume de desgaste multiplicado pela dureza da superfície desgastada, dividido pela carga aplicada e pela distância de deslizamento, o que o torna adimensional. Quanto maior o valor, mais severa a situação de desgaste, e por ser adimensional os valores de um aço em ensaio de bancada e de um molde em prensa podem ao menos ser comparados em ordem de magnitude.

A faixa observada do coeficiente de desgaste por deslizamento adimensional para cada mecanismo, da tabela de origem, onde V é o volume de desgaste, H a dureza da superfície desgastada, P a carga aplicada e S a distância de deslizamento. Os valores são retirados de tribossistemas nos quais esse mecanismo é o predominante.

Dois limites de engenharia acompanham a tabela e ambos são úteis quando um cliente pergunta qual deveria ser a taxa de desgaste. A maioria das aplicações de engenharia requer um coeficiente de desgaste de 10-5 ou menos. Aplicações de cilindros de motores automotivos frequentemente requerem 10-8. Um projeto que cai na faixa de 10-3 ou 10-2 não está em desgaste leve, qualquer que seja o grau.

A mesma tabela mostra por que os dois mecanismos pelos quais um aço ferramenta é comprado são os difíceis de resolver. O desgaste adesivo e o abrasivo abrangem as faixas mais amplas e situam-se na extremidade severa, e ambos são controlados pelo lubrificante e pelo contato tanto quanto pelo aço. O desgaste corrosivo e o desgaste por fadiga situam-se na extremidade leve, razão pela qual uma ferramenta que falha por qualquer um deles geralmente falha por um motivo que não é a dureza.

Qual mecanismo cada movimento e ambiente produz

A segunda tabela é uma classificação operacional e não uma tabela de materiais. Ela responde à pergunta que vem antes da seleção do grau: dado este movimento e este ambiente, quais mecanismos podem aparecer, e o que a fonte diz sobre como a situação se comporta à medida que as condições de operação mudam. O uso prático é que ela indica contra qual dos quatro mecanismos projetar antes que qualquer grau seja nomeado.

Classificação operacional de situações de desgaste, condensada da tabela de origem. A fonte acrescenta uma nota geral de que, com fluidos diferentes de lubrificantes, efeitos sinérgicos entre corrosão e desgaste frequentemente ocorrem, que o desgaste oxidativo é provável com metais e cerâmicas em todas as situações, e que a caracterização operacional pode diferir em diferentes locais da mesma peça.

Qual classe de material é usada contra cada situação de desgaste

A matriz abaixo é a única tabela deste conjunto que diz tanto sobre para que um aço-ferramenta não serve quanto sobre para que serve. Uma cruz significa que essa classe é usada nessa aplicação na prática. Os aços-ferramenta recebem cruz em nove das doze colunas, o que inclui todas as três situações de deslizamento e todas as três de rolamento, desgaste por impacto e abrasão a três corpos, e cavitação. Não recebem cruz em erosão por fluido, erosão por gotas ou erosão por partículas, onde a tabela recorre a carbonetos, cerâmicas e elastômeros. Essa é a fronteira honesta: um aço-ferramenta é a resposta para deslizamento, rolamento, impacto e abrasão, e não é a resposta para um fluxo de partículas duras ou gotas.

Aplicações típicas de desgaste para materiais de engenharia selecionados, reproduzidas da tabela de origem, na qual uma cruz marca as situações de desgaste em que cada classe de material é usada. Tratamentos superficiais, revestimento duro e revestimentos macios são agrupados sob ligas estruturais na fonte, e os aços inoxidáveis, ferros fundidos, ligas para alta temperatura, ligas à base de cobre e polímeros são cada um dividido nas famílias listadas aqui.

Os limites que mantêm um contato em desgaste leve

Três limiares decidem se um projeto sofre desgaste leve ou severo. Em uma situação de dois corpos não abrasiva, as tensões de contato devem permanecer na faixa elástica e, para deslizamento, devem ser uma pequena fração do limite de escoamento: geralmente abaixo de 0,5 do escoamento, e abaixo de 0,2 quando uma taxa de desgaste muito baixa é exigida. Para rolamento e impacto, as tensões podem ser significativamente maiores, acima de 0,5 do escoamento, mas apenas enquanto o deslizamento não estiver envolvido.

Onde partículas duras estão presentes, a regra muda de forma. Para que ocorra desgaste abrasivo ou por deformação, a superfície desgastante tem que ser mais macia que a partícula ou a asperidade que causa o dano, de modo que uma superfície mais dura que o abrasivo elimina o mecanismo de corte. Isso não elimina o desgaste: a fonte é explícita que processos de fadiga e semelhantes à fadiga permanecem possíveis e são geralmente mais leves. Essa é a diferença entre projetar para eliminar a abrasão e projetar para uma vida mais longa.

Duas ressalvas estão acima de tudo isso. As transições de desgaste leve para severo podem ser abruptas e são frequentemente desencadeadas por algo fora do projeto, como uma mudança na umidade ou nas partículas que chegam ao contato. E os rankings de materiais mudam com o ensaio: resistências medidas em um ensaio abrasivo geralmente não estão na mesma ordem que as medidas sem abrasão, rankings lubrificados diferem dos secos, e rankings de alta velocidade diferem dos de baixa velocidade. Um ensaio de desgaste destinado a classificar materiais tem que reproduzir o carregamento, a geometria de contato, os movimentos e o ambiente da aplicação, razão pela qual um número de bancada nunca fecha sozinho uma decisão de grau.

Uma técnica que a fonte recomenda quando os números são escassos é o bracketing: construir duas projeções teóricas do mesmo projeto, uma otimista e uma pessimista, usando modelos de desgaste diferentes, e tratar as duas como os limites da vida esperada. Para deslizamento, o par usual é o modelo do fator K contra a combinação dos modelos de desgaste zero e desgaste mensurável.

Regras de projeto para aplicações com desgaste

A lista abaixo é o conjunto de regras da fonte, em suas próprias palavras e em sua própria ordem. As regras que aparecem com mais frequência no trabalho com aço ferramenta são as sobre materiais dissimilares, sobre lubrificação, sobre manter o contato em desgaste leve e sobre galling, razão pela qual a tensão limiar de galling e o controle do mecanismo de desgaste para cada mecanismo são dados nas páginas vinculadas abaixo.

Regras de projeto para aplicações com desgaste, reproduzidas da lista da fonte. A entrada final reafirma o ponto da propriedade do sistema que a fonte faz antes da lista: um material que vence em um ensaio de bancada pode não vencer no trabalho.

Onde estas regras encontram um grau específico

Os próprios mecanismos, e o fator metalúrgico que move cada um, estão em a página de mecanismos de desgaste do aço ferramenta. Onde a falha já ocorreu e a questão é qual mecanismo a causou, a ordem de leitura está em o gráfico de identificação de modos de dano. Para pickup em vez de desgaste em trabalho com inoxidável, os limiares de galling medidos estão em a página sobre o engripamento de aços-ferramenta inoxidáveis, e os tratamentos superficiais que endurecem a face de trabalho são comparados em endurecimento superficial do aço ferramenta e a comparação do processo de cementação.

Fonte: ASM Handbook, Volume 20, Materials Selection and Design, ASM International, 1997, do artigo sobre projeto para resistência ao desgaste (Tabela 1, Tabela 2, Tabela 5 e Tabela 7).