Trabalho desgaste, Trabalhos de Engenharia Mecânica

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AÇOS RESISTENTES AO DESGASTE E À CORROSÃO

Prof. André Galdino

Alunos:

Luciano A. Pelissari RA: 081126

Rodolfo José Moreira RA: 081136

Índice

3. Elementos de liga que confere ao

3.2.. Tungstênio......................................................................................... 05 3.3.. Manganês.......................................................................................... 06 3.4.. Alumínio............................................................................................. 06 4.1.. Têmpera Superficial...........................................................................

• 1. Introdução..............................................................................................
• 2. Desgaste................................................................................................
  • 2.1.. Desgaste Metalico ..........................................................................
  • 2.2.. Desgaste abrasivo...........................................................................
  • 2.3.. Desgaste por erosão........................................................................
• aço maior resistência ao desgaste .............................................................
  • 3.1.. Carbono...........................................................................................
• termoquímicos na resistência ao desgaste ................................................. 4.Influência dos tratamentos térmicos e
  • 4.2.. Tratamentos termoquímicos..............................................................
  • 4.3.. Cementação......................................................................................
  • 4.4.. Nitretação..........................................................................................
  • 4.5.. Carbonitretação................................................................................
• 5. Corrosão.................................................................................................
  • 5.1.. Corrosão atmosférica.......................................................................
  • 5.2.. Corrosão no solo..............................................................................
  • 5.3.. Corrosão em água doce...................................................................
  • 5.4.. Corrosão em água salgada..............................................................
  • 5.5.. Meios de Prevenção á corrosão.......................................................
• aço maior resistência á Corrosão ............................................................... 6. Elementos de liga que confere ao
  • 6.1.. Cromo...............................................................................................
  • 6.2.. Níquel...............................................................................................
  • 6.3.. Molibdênio........................................................................................
  • 6.4.. Vanádio............................................................................................
  • 6.5.. Silício...............................................................................................
  • 6.6.. Boro.................................................................................................
  • 6.7.. Fósforo (Residual)...........................................................................
  • 6.8.. Titânio e Nióbio................................................................................
• 7. Galvanoplastia.......................................................................................
  • 7.1.. Zincagem..........................................................................................
  • 7.2.. Niquelagem......................................................................................
  • 7.3.. Cromagem........................................................................................
• 8. Tipos de Aço...........................................................................................
  • 8.1.. Aços Carbono...................................................................................
  • 8.2.. Baixo Carbono..................................................................................

constante choque dos átomos desse fluido com a parede da tubulação causa a

ocorrência deste fenômeno. Considerando todas essas situações, podemos dividir o desgaste em três tipos:

• Desgaste de metal contra metal, também chamado de desgaste metálico.
• Desgaste de metal contra uma substancia não metálica abrasiva, também

chamado de desgaste abrasivo.

• Desgaste de metal contra liquido ou vapor, chamado também de erosão.

2.1 Desgaste metálico: Pode ser por deslizamento com lubrificação, como eixo em mancais, ou sem lubrificação, como parafusos e porcas. Ou desgaste por rolamento com lubrificação, como eixos em mancais de rolamento, e sem lubrificação como rodas sobre trilho.

2.2 Desgaste abrasivo: Pode ocorrer em meio úmido ou seco, como por exemplo em ferramentas de manuseio de terra (arado, pás carregadeiras e etc.), em alguns tipos de britadores de minério ou ainda em rotores de bombas de jatos de areia.

2.3 Desgaste por erosão: Pode ocorrer em turbinas, bombas e tubulações por onde circulam gases combustíveis ou não, líquidos e vapores. Dos três casos acima, os dois primeiro 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 deslocar uma das superfícies, essa imperfeições (saliência e depressões) podem se alojar uma á outra, de forma que se a força responsável pelo movimento for maior que a que se opõe ao movimento, ou seja, a força de atrito, as saliências serão deformadas ou arrancadas. Portanto,podemos supor que quanto mais regular e polida for uma superfície menor será o desgaste sofrido por esse metal. E ainda podemos atenuar o desgaste introduzindo entre as superfícies uma película lubrificante de forma que essa empeça o contato entre elas. Outro fator que contribui para o desgaste é o calor gerado pelo atrito. Este calor produzido causaria como que uma soldagem das partículas, e a pressão e o movimento das superfície em contato arrancaria essa partículas deixando vazios em forma de depressões, o que contribui ainda mais para o desgaste. Para nos antecipar aos inconvenientes desse fenômeno, ao projetar devemos considerar os seguintes fatores:

Acabamento da superfície metálica, a qual deve se apresentar tão macia e 0 0 plana quanto pos1 F sível, 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 passíveís de produzir tal efeito.

A dureza é o fator mais importante para que um material apresente maior resistência ao desgaste e para que essa dureza seja alcançada, existem vários técnicas, tais como os tratamentos térmicos, termoquímicos e ainda pela adição de elementos de liga.

3. Elementos de liga que confere ao aço maior resistência ao desgaste.

A adição de elementos de liga tem o objetivo de promover mudanças na microestrutura do material, o que se reflete nas suas propriedades macroscópicas, físicas e mecânicas, permitindo ao material desempenhar funções específicas. A influência de alguns elementos é descrita a seguir:

3.1 Carbono – o teor de carbono aumenta a resistência ao desgaste dos aços perlíticos com o aumento do endurecimento.

Os carbonetos aumentam a resistência ao desgaste com o aumento na quantidade, distribuição uniforme e forma mais adequada. Não são adequados, porém, quando existe o choque associado ao desgaste por abrasão.

A martensita não revenida ou revenida abaixo de 230ºC é a estrutura que melhor resiste ao desgaste na temperatura ambiente. Se o revenido for acima de 350ºC, a perlita apresenta um resultado melhor para a mesma dureza. Uma estrutura bainítica da mesma dureza e composição química resiste melhor ao desgaste que uma estrutura martensítica nas mesmas condições.

A perlita aumenta a resistência a abrasão com o aumento das colônia de perlita e com o aumento da fração volumétrica de cementita. Para a mesma dureza, a perlita lamelar resiste melhor que a esferoidizada.

A resistência ao desgaste da ferrita aumenta com o aumento dos carbonetos dispeços na matriz. Um aço austenítico, com mesma fração de carbetos que um ferrítico, resiste melhor ao desgaste.

3.2 Manganês – atua também como desoxidante e dessulfurante. É empregado em teores inferior a 0,5%. O manganês tem forte efeito na temperabilidade, porém a partir de teores mais elevados (1,5%), forma carbonetos menos estáveis que o ferro, não contribuindo para a resistência ao revenido. Em grandes quantidades e em presença de carbono, aumenta de forma considerável a resistência ao desgaste.

3.3 Tungstênio – também atua como formador de carbonetos, favorecendo a obtenção do limite superior da dureza secundária no tratamento do revenido. Em teores inferior a 1,5% (mesmo com alto carbono) o tungstênio tem pequeno efeito no aumento da dureza, em teores próximos a 4 % aumento significativo da resistência ao desgaste, a ponto de dificultar operações de retífica após a têmpera. Em teores de 12% a 20%, o tungstênio eleva significativamente a dureza

4.3 Cementação: A cementação consiste em introduzir maiores quantidades de carbono em superfícies de aço com baixos teores de carbono. Por isso, é indicada para aço- carbono ou aços-ligas cujo teor original de carbono seja inferior a 0,25%. A cementação aumenta esse teor ate valores em torno de 1%, assegurando uma superfície dura e um núcleo tenaz.

4.4 Nitretação:

Certas peças que trabalham em atrito permanente correm o risco de se desgastar com facilidade. È o caso, por exemplo, do virabrequim, das camisas e de cilindros,

dos pinos, dos rotores, que precisam ter alta resistência ao desgaste sob temperatura relativamente elevada. A peça pode adquirir esse nível de resistência

por meio da técnica chamada nitretação. A nitretação é indicada na obtenção de peças com superfícies de maior dureza. Para aumentar a resistência do desgaste, à fadiga, à corrosão e ao calor.

4.5 Carbonitretação: Esse processo consiste em introduzir carbono e nitrogênio na superfície do aço. O processo pode ser realizado em fornos de banhos de sal ou de atmosfera controlada (a gás). A superfície da camada carbonitretada adquire dureza e resistência ao desgaste.

5. Corrosão.................................................................................................

A corrosão pode ser definida como um ataque gradual e contínuo de metal por parte do meio circunvizinho, que pode ser desde a atmosfera contaminada das cidades ou por meio químico, liquido ou gasoso. Como resultado das reações químicas entre metais e elementos não metálicos presentes nesse meio, ocorre a mudança de forma gradual do metal em um ou em vários compostos que geralmente podem ser óxidos ou sais. Acredita-se que a corrosão não passa de uma forma de atividade eletroquímica. A velocidade do ataque e sua extensão dependem não só da natureza do meio circunvizinho, como do tipo de metal ou liga sofrendo a ação da corrosão. Para que se entenda bem esse fenômeno faremos um apanhado sucinto de cada tipo de corrosão que possa deteriorar um determinado material metálico.

5.1 Corrosão atmosférica – Em áreas urbanas, os principais agentes corrosivos existente presente na atmosfera são os óxidos sulfurosos gasosos e se originam dos combustíveis fosseis dos veículos, industrias e eventualmente das usinas termo-elétrica que usam como combustível carvão mineral. Nas áreas costeiras, atuam como corrosivo as partículas de água salgada transportadas pelo ar.

5.2 Corrosão no solo – Quando temos uma estrutura enterrada, admite-se que

o corrosão ocorra devido o baixo PH, a correntes parasitas, a baixa resistividade e

à ação de baterias. Contudo, também no caso do solo, a água e o oxigênio são

considerados fatores fundamentais.

A ação de batérias é considerada como a responsável por mais de 50% de todas

as falhas que ocorrem em metais enterrados.

Para combater a ação corrosiva em aço enterrado, considera-se que a prática

mais eficiente e econômica consiste na aplicação de proteção catódica, em que se 0 0 aplica cor1 F rente de retificadores e corrente de ânodos, sacrificados isoladamente

ou em conjunto com revestimentos orgânicos. Os solos mais corrosivos são os 0 0 que contêm grandes concentrações de sais solú1 F veis que, pela sua presença, apresentam alta condutibilidade elétrica, ou seja, baixa re0 01 F sistividade.

5.3 Corrosão em água doce – Quando nos referimos a água doce, podemos considerar água de rios, lagos, poços e represas, quer estejam poluídas ou não.

Os fatores mais importantes no sentido de acelerar a velocidade da corrosão estão relacionados nos gases dissolvidos na água. 0 oxi0 01 F gênio age não somente por si

só, como igualmente acelera a ação do dióxido de carbo0 01 F^ no, sulfeto de hidrogênio e de outros gases sólidos dissolvidos na água. 0 dióxido de carbono atua porque 0 0 é grandemente solúvel na água e possui grande reatividade quí1 F mica como esta. O sulfeto de hidrogênio é elemento corrosivo importante, mesmo na ausência de oxigênio. No ferro fundido, por exemplo, esse sulfeto produz a chamada corrosão grafítica. Em águas doces naturais, o efeito do pH entre 4,5 e 9,5 é mínimo.

Em relação aos sais dissolvidos na água, os efeitos das soluções concentradas sobre a velocidade de corrosão são menores que os de soluções diluídas, porque a maioria dos sais dissolvidos na água tendem a diminuir a solubilidade tanto do oxigênio, como do hidróxido de ferro.

Para prevenir a corrosão em água doce, os métodos mais eficientes são: 0 0 galvani1 F zação, em tubos e tanques para água potável; eventualmente para aquecedores de água quente, revestimento à base de vidro, com ânodos de magnésio para proteção catódica dos poros e dos dispositivos diversos do 0 0 aparelho; revestimentos orgânicos, nas super1 F fícies internas de tanques de água fria e inibidores em conjunção com fungicidas por onde circula a água., em sistemas de resfriamento

5.4 Corrosão em água salgada – Embora muitos outros minerais se encontrem dissolvido na água salgada, os principais agentes corrosivos deste meio são o cloreto de sódio e magnésio em água. As medidas preventivas mais econômicas e eficientes para atenuar a corrosão em água salgada incluem aplicação de 0 0 revestimentos orgânicos, em conjunção com prote1 F ção catódica. Inibidores são

igualmente utilizados.

5.5 Meios de Prevenção á corrosão – Geralmente, para prevenir um metal dos efeitos da corrosão, cria-se uma película protetora na superfície que estará

Tem efeito similar ao Níquel, melhora as propriedades de resistência com pouca

perda de ductilidade, melhora a resistência `a oxidação, com 2% de Si é usado para a confecção de molas, aumenta o tamanho de grão (necessário para

aplicações magnéticas), agente desoxidante.

6.6 Boro: É um agente endurecedor poderoso (0,001-0,003%), facilita a conformação à frio , tem efeito 250-750 vezes ao efeito do Ni , 100 vezes ao Cr, 75-125 vezes ao Mo.

6.7 Fósforo (Residual): Aumenta a resistência dos aços baixo carbono, aumenta a resistência à corrosão, facilita a usinagem, gera fragilidade à frio (0,04-0,025% P no máximo).

6.8 Titânio e Nióbio : São elementos "estabilizadores" nos aços austeníticos, impedindo o empobrecimento de cromo via precipitação em forma de carbonetos durante aquecimento e/ou resfriamento lento em torno de 700 ºC, que provocaria uma diminuição da resistência local à corrosão. Existem ainda outros elementos que modificam e melhoram as características básicas dos aços inoxidáveis, como o manganês e o nitrogênio, o cobalto, o boro

e as terras raras, porém são muito específicos.

7. Galvanoplastia.......................................................................................

A galvanoplastia ou galvanização é um tratamento de superfície que consiste em depositar um metal sobre um substrato (metálico ou não), através da redução química ou eletrolítica para proteção, melhor condutividade e melhor capacitação para se soldar sobre a superfície tratada. Outras aplicações são: para melhorar a aparência, aglutinar partículas não condutoras à camada eletrodepositada, resistência ao atrito, melhorar a dureza superficial, resistência à temperatura, resistência á corrosão, entre outras.

A eletrodeposição ou galvanoplastia:

Podemos definir galvanoplastia como a tecnologia responsável pela transferência de íons metálicos de uma dada superfície sólida ou meio líquido denominado eletrólito, para outra superfície, seja ela metálica ou não. Este processo usa a corrente elétrica, sendo chamado de “eletrólise”.

A galvanoplastia foi desenvolvida por Galvani, físico e químico que fazia estudos sobre a eletricidade.

A eletrodeposição está relacionada com o revestimento de superfícies, é esse o

processo utilizado na prateação, na niquelação, na cromagem, etc. O processo de galvanoplastia é denominado de acordo com o elemento que é

depositado sobre o substrato.Abaixo são citados alguns exemplos com a finalidade de conferir aos aços maiores resistência a corrosão.

7.1 Zincagem:

A propriedade técnica de maior importância dos revestimentos de zinco, é a de

proteger o ferro e o aço contra a corrosão. O zinco é anôdico em relação ao ferro e ao aço, portanto oferece mais proteção em relação quando aplicado em camadas finas de 7 a 15 microns, do que espessura idêntica de níquel ou outra camada catódica. Na prática, é importante saber onde a peça a ser zincada irá ser exposta, durante sua vida útil, para definir a espessura de camada a ser aplicada. Além da espessura da camada, também é de grande importância a cromatização ou passivação posterior. Quando camadas de zinco forem utilizadas em equipamentos que entram em contato com alimentos, não se deve aquecer que o zinco é venenoso, e pequenas quantidades dissolvidas alteram o gosto. Da mesma forma, o zinco deve ser eliminado das águas usadas, até a concentração máxima tolerada na região.

7.2 Niquelagem: O níquel é um metal duro, de cor cinza claro, bastante resistente ao ataque químico de vários ácidos, bases e da água. É atacado pelo ácido nítrico, clorídrico e amoníaco.

O níquel depositado eletroliticamente pode ser fosco ou brilhante, dependendo do banho utilizado. Em contato com o ar o níquel sofre embaçamento rápido. Geralmente após a niquelação é feita uma cromagem, o que evita o embaçamento e aumenta a resistência à corrosão.

7.3 Cromagem: O cromo é um metal de cor branca, é muito duro, quando obtido por eletrodeposição. É resistente ao calor e não sofre embaçamento, e por isto é muito usado como acabamento decorativo de peças.

É resistente à corrosão atmosférica e só é atacado pelo ácido sulfúrico e clorídrico. É extremamente aderente quando depositado sobre aço, o que torna, juntamente com sua dureza muito empregado para fins industriais. Por outro lado, como o cromo repele óleos e meios aquosos deve ser tornado rugoso quando usado em superfícies que devem ser lubrificadas. Podem ser formados vários tipos de camadas de cromo, conforme o banho utilizado, e conforme sejam as condições de deposição. Assim temos o cromo brilhante, mais usado para fins decorativos. O cromo duro, não brilhante, que pode ser isento de fissuras ou microfussurado para fins técnicos, tendo uma espessura maior do que o cromo brilhante. Boa resistência à corrosão e acabamento decorativo são obtidos quando se deposita uma camada de níquel, previamente à camada de cromo brilhante

8. Tipos de Aço...........................................................................................

Os aços são ligas metálicas de ferro e porcentagens de carbono, variando entre 0,008 e 2,11%. Distinguem-se dos ferro fundidos, que também são ligas de ferro

Aplicações:

Peças metálicas, parafusos especiais, implementos agrícolas, trilhos e rodas ferroviárias, etc.

Os aços de alto teores de carbono são os mais indicados entre os aços carbono, quando o objetivo é um matérial com maior resistência ao desgaste. Isso se da pelo fato de que o elemento de liga C aumenta a dureza do material á medida que sua porcentagem é aumentada. Além disso, maiores concentração de carbono, dão aos aços uma maior temperabilidade.

8.5 Aços de baixa liga: Por se tratar de aço composto pela mistura de várias ligas como, Cu, Ni, Cr, etc, é conhecido como aço de BAIXA LIGA. São largamente utilizadas no Brasil e conhecidas pelos seus nomes comerciais: Niocor, COS-AR-COR, SAC e mais genéricamente CORTEN. Sua resistência a corrosão está relacionada com a atmosfera em que o material é aplicado, assim sendo, em atmosfera marinha severa e atmosferas industriais agressivas é obrigatória a aplicação de revestimento, em obras sem revestimento, atenção especial do projetista deve ser dada a pontos de estagnação evitando retenção de água ou resíduos sólidos, que favorecem desenvolvimento da corrosão. 8.6 Aços de alta liga ( aços inoxidáveis) Os aços inoxidáveis tem como principal característica, a resistência à corrosão, mesmo em ambientes de alta temperatura ou temperaturas criogênicas (Temperaturas muito baixas). Se deve principalmente pela presença de cromo (a partir de 11%).

O cromo, em contato com o oxigênio permite a formação de uma película finíssima de óxido de cromo (Cr2O3) sobre a superfície do aço, que é impermeável e insolúvel em meios corrosivos usuais. Os aços inoxidáveis são classificados de acordo com a estrutura cristalina predominante na liga à temperatura ambiente. São classificados como:

Aços inoxidáveis Martensíticos; Aços inoxidáveis Ferríticos; Aços inoxidáveis Austeníticos. Aços inoxidáveis Duplex (Austeníticos Ferríticos)

Os aços inoxidáveis são de alta liga, (contendo mais de 10% de elementos de liga) mas em geral são de baixo teor de carbono, ligados principalmente ao:

Cromo Níquel Molibdênio

8.7 Aços inoxidáveis austenítico

São as ligas mais nobres e mais comuns, série 300 (AISI 301,304, 304-L, 316 E

316 L AISI 321) tendo grande utilização nos estados recozidos e encruados, principalmente AISI 301 com chamado efeito mola em função de sua estrutura

“austenítica” que os torna interessantes tanto para aplicações criogênicas (por não sofrerem transição dúctil-frágil) como para aplicações à temperatura elevada, em

função das resistências ao amolecimento e à deformação a quente.

Melhor resistência à corrosão (excetuando o DUPLEX) São essencialmente ligas ternárias ferro-cromo-níquel com 16 a 25% Cr e 7 a 20% Ni Classificação AISI 3XX (eventualmente 2XX) Sua estrutura permanece austenítica (CFC, tipo ferro g) às temperaturas normais dos tratamentos térmicos. A presença do níquel (CFC), permite que a estrutura CFC se mantenha à temperatura ambiente. Tem elevada capacidade de deformação devido à sua estrutura CFC Melhor resistência a corrosão do que os aços ferríticos e martensíticos (o Ni reforça o filme protetor) Não magnéticos Não temperáveis, somente endurecíveis por deformação a frio (encruamento) Ótima soldabilidade

8.8 Aços inoxidáveis martensítico

São ligas com teores elevados de carbono tendo sua grande utilização no estado temperado revenido podem ser considerados equivalentes aos aços para têmpera e revenimento com a diferença principal do elevado teor de cromo que aumentam sua temperabilidade e resistência ao amolecimento no revenimento.

• Essencialmente ligas binárias ferro-cromo com 12 a 17% Cr
• Série AISI 4XX
• Magnéticos e endurecíveis por têmpera
• Maior resistência mecânica e dureza
• Baixa soldabilidade (podem temperar e fissurar na solda). Usa-se eletrodo de inoxidável austenítico.
• Baixa resistência a corrosão comparando com os ferríticos e austeníticos
• Apresentam-se em três tipos:
• Baixo Carbono (tipo turbina) – 0,15% C; 12% Cr
• Médio Carbono (tipo cutelaria) – 0,70% C; 17% Cr
• Alto Carbono (resistente ao desgaste) – 1,10% C; 17% Cr

8.9 Aços inoxidáveis ferríticos

São ligas menos nobres tendo sua grande utilização no estado recozido, do ponto de vista de sua utilização são aços com boas características de resistência à corrosão e de baixa a média tenacidade e com boa resistência a oxidação, porém

corrosão sob tensão e por pite em ambientes contendo cloretos. Vale ressaltar que

estudos identificaram estes dois mecanismos como responsáveis por mais de 50% das falhas no aço AISI 304 devido à corrosão.

10. Conclusão: A corrosão e o desgaste são problemas que comprometem a eficiência dos aços em toda a sua gama de aplicações, quer seja na indústria ou na construção civil. Como base nisso, estudos cada vez mais aprofundados nesses assuntos têm sido desenvolvido, buscando solucionar ou minimizar os efeitos causados por esses fenômenos. No desenvolvimento deste trabalho, ficou claro quais são os fatores causadores desses fenômenos e quais são as alternativas mais comuns existentes empregadas para minimizar a ação da corrosão e do desgaste. Cada processo apresenta suas características próprias, sendo empregado de acordo com as especificações de projeto, e de custo benefício. Como exemplo, podemos citar, uma estrutura metálica que estará exposta ao tempo, porém será solicitada por forças que não expressem necessidade de grande preocupação com a corrosão. Desta forma, prevenir este fenômeno tem como principal objetivo, aumentar a vida útil dessa estrutura. Galvanizar essa estrutura representaria um aumento expressivo no custo do projeto final, assim como faze-la em aço inoxidável. Nesse caso então, a pintura passa ser o processo mais conveniente, tanto na questão da eficiência quando econômica.

11. Referências Bibliográficas 11.1 Chiaverin, V.; “ Aços e Ferros Fundidos ” 7º edição. Editora LTC. 11.2 2º Tele curso 2000 – Profissionalizante, “ Tratamento Térmico e Tratamento de Superfícies ” 11.3 http://ptwikipedia.org/wiki/Corros%C3%A3o 22/05/2010 – 15: