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Apostila Elementos de Máquinas II - UFSC

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carbono e
de baixa liga) 180 – 210 HB Temperado e revenido 4,5 a 5,0
C e D (aços de alta
liga) 270 – 320 HB Temperado e revenido 5,8 a 6,5
, E e F (aços de alta
liga) 320 – 360 HB Temperado em óleo 6,1 a 6,8
E e F 370 – 400 HB Temperado em óleo 6,4 a 7,2
Aços liga para
cementação 58 Rockwell C mín.
Laminado e
cementado 9,0 a 10,0
Capítulo 09 - RecomendaçSes de projeto.doc 65
Aços liga para
cementação 58 Rockwell C mín. Forjado e cementado 10,0 a 11,0
Capítulo 10 - Materiais para engrenagens.doc
10 MATERIAIS PARA ENGRENAGENS
As engrenagens podem ser fabricadas a partir de diferentes materiais. A quantidade de
materiais utilizados varia enormemente em virtude do grande campo de aplicação destes
elementos de máquinas. Assim, pode-se fabricar engrenagens em aços de diferentes
composições, em ferro fundido, bronze, alumínio, em diferentes composições de plásticos e
materiais cerâmicos, ou até mesmo de madeira. Há casos onde equipamentos disponíveis para
fabricação ou características específicas de projeto deixam uma pequena margem para a
escolha, mas quando a escolha pode ser ampla o projetista deve considerar fatores como custo
da matéria-prima, relação capacidade de carga e dado tamanho, adaptabilidade do material a
processos de produção em massa e resistência à corrosão.
Para a análise dos materiais em engrenagens pode-se dividí-los em ferrosos e não-ferrosos./2/
10.1 Materiais ferrosos
Os materiais ferrosos são os mais utilizados na fabricação de engrenagens, eles possuem alta
resistência e por isso proporcionam uma grande capacidade de transmissão de potência em
relação ao tamanho das engrenagens produzidas. Tomando a relação capacidade de carga e
tamanho, são os que representam menor custo da matéria prima.
As propriedades dos aços e ferros fundidos variam amplamente com a variação do
tratamento térmico e da composição química. O limite de resistência de um aço é quase uma
função direta da dureza, aços com 0,2 a 0,6% de carbono podem resultar em uma dureza em
torno de 200 HB, todos esses aços exceto o 1020 podem chegar a durezas na ordem de 350 HB.
O 1060 pode chegar a 550 HB. Por sua vez a dureza de um aço, apesar de ser limitada pela
composição química, é mais uma função do tratamento térmico do que de sua composição
propriamente dita. Outros materiais, que não o aço, não estão sujeitos ao controle da dureza por
tratamento térmico, a composição e não o tratamento determina a dureza da maioria dos
bronzes, plásticos e laminados.
Como aços e ferros fundidos apresentam grande variação em dureza, é desejável ter uma
idéia do significado das durezas na obtenção de engrenagens. A tabela abaixo alguns níveis de
dureza e o que representam.
Tabela 10.1 – Níveis de dureza. Fonte /2/
Dureza
Brinell RockwellC
Usinabilidade Comentários
150-200
200
250
250
300
300
350
…
…
24
24
32
32
38
Bastante fácil
Fácil
Corte moderadamente difícil
Difícil de cortar, comumente
considerada como limite de
Dureza bastante baixa. Capacidade
de carga mínima.
Baixa dureza. Capacidade de carga
moderada. Muito usada em
engrenagens industriais
Média dureza. Boa capacidade de
carga. Também usada em
aplicações industriais.
Alta dureza. Excelente capacidade
de carga. Usada em aplicações de
Capítulo 10 - Materiais para engrenagens.doc 66
350
400
400
500
500
550
587
38
43
43
51
51
55
58
63
65
70
usinabilidade
Muito difícil de cortar. Muitos
equipamentos não suportam
Necessita retificação
Necessita retificação para o
acabamento
Necessita retificação
Pode ser endurecido
superficialmente após a
usinagem final
baixo peso e alta performance.
Alta dureza. A capacidade de carga
é excelente e o tratamento
desenvolve boa estrutura.
Alta dureza, esta faixa de durezas é
muito pouco usada.
Dureza muito alta. Boa resistência
ao desgaste. Pode ter baixa
resistência à flexão.
Dureza total. Usualmente obtida
como dureza superficial por
cementação. Capacidade de carga
bastante alta para engrenagens de
aviões, automóveis, caminhões, etc.
Superdureza. Geralmente obtida por
nitretação. Capacidade de carga
bastante alta.
10.1.1 Engrenagens de aço
Aços possuem limite de resistência maior que o ferro fundido, e em sua forma baixa-liga têm
um custo competitivo. Tratamentos térmicos são necessários para que haja resistência ao
desgaste apropriada, a não ser em engrenagens de aplicações com pequenos carregamentos,
baixa velocidade, ou onde um tempo de vida longo não seja importante./3/
Os aços para engrenagens podem ser divididos em dois grupos:
Aços para engrenagens que serão usinadas após o tratamento térmico final.
Aços para engrenagens que serão usinadas antes do tratamento térmico final.
Engrenagens usinadas após o tratamento térmico
A vantagem da usinagem após o tratamento térmico é a redução dos efeitos de distorção
provocados pelo tratamento. O inconveniente é que a dureza obtida durante o tratamento não
pode ser muito elevada, caso contrário a ferramenta de corte perderia o corte muito rapidamente
e o tempo de usinagem seria elevado.
Geralmente a dureza não pode ultrapassar 350 HB, a faixa de uso para pinhões oscila entre
320-350 HB. A coroa, com número de dentes maior, é tratada para dureza menor que 320 HB,
em geral de 50 a 30 HB a menos que o pinhão. O mais comum é a coroa resultar em uma dureza
entre 200-280 HB.
O tratamento térmico empregado é o beneficiamento (têmpera seguida de revenido em alta
temperatura). Pode-se empregar também a têmpera com resfriamento ao ar.
São utilizados aços carbono (0,4 a 0,5%) ou aços liga chamados aços de beneficiamento. A
escolha do aço liga depende das solicitações da peça, das dimensões e das deformações
admissíveis na têmpera. Para engrenagens grandes é conveniente usar um aço de maior
temperabilidade, pois a dureza obtida é função da dimensão da engrenagem.
Capítulo 10 - Materiais para engrenagens.doc 67
A tabela a seguir mostra dados de dureza para aços típicos nessas engrenagens.
Tabela 10.1 – Dureza para aços com tratamento térmico. Fonte /2/
AISI n° Dureza de 90% martensita.Rockwell C Resfriamento
1045
1060
1137
1335
2340
3140
3250
4047
4130
4140
4340
5132
5145
6150
8640
9840
50,5
54
48
46
49
49
55
52
44
49
49
45
51
53
50
49
Água
Água
Água
Água
Óleo
Óleo
Óleo
Água
Óleo
Água
Óleo
Óleo
Óleo
Óleo
Óleo
Óleo
Engrenagens usinadas antes do tratamento térmico
São engrenagens onde se obtém alta dureza no flanco dos dentes. A durabilidade da
superfície de um dente de engrenagem é grosseiramente proporcional ao quadrado da dureza
superficial. Isso significa que um dente de engrenagem com 600 HB pode ser capaz de conduzir
tanto quanto 9 vezes a potência de um dente com 200 HB. Mas essa vantagem da dureza
superficial deve considerar dois fatores: o limite de usinabilidade está em torno de 350 HB e o
máximo da resistência à flexão é obtido na faixa de 350 a 400 HB, e decresce com o aumento da
dureza. A têmpera total pode ser aplicada em tratamentos após a usinagem mas para conciliar a
dureza superficial com a resistência do dente à flexão, principalmente em casos de cargas com
choque, deve ser garantida uma certa dutilidade do núcleo. Neste caso deve-se evitar a têmpera
total da engrenagem e recorre-se à cementação, nitretação, carbonitretação, cianetação ou à
têmpera superficial.
O incoveniente desses tratamentos térmicos é que todos são mais complicados de se
controlar. Com um mau controle a superfície pode falhar rapidamente e os dentes não são
considerados como melhores que os fabricados com aço de baixa dureza. Algumas das falhas
que tendem a prejudicar a resistência dos dentes com tratamento térmico localizado são:
• Profundidade do tratamento muito pequena
• Tensões residuais muito altas resultantes de tratamento impróprio
• Falta