Estudo para manufatura energeticamente eficiente de engrenagens através do emprego de aço bainítico de resfriamento contínuo

Abstract

Reduções no consumo energético estão entre os principais pontos almejados pelo setor industrial, responsável por grande parte da demanda global. Projetos de pesquisa na área de forjaria buscam a redução do consumo energético durante a fabricação de componentes mecânicos, via eliminação de tratamentos térmicos e aplicação de processos termomecânicos. O uso de aços bainíticos avançados possui um grande potencial na otimização das rotas de fabricação de componentes forjados a quente. Portanto, o objetivo desta pesquisa é avaliar a potencialidade de substituição da rota de fabricação convencional de engrenagens forjadas em aço ferrítico-perlítico DIN 20MnCr5 por uma rota de menor consumo energético, utilizando o aço bainítico DIN 18MnCrSiMo6-4. Neste trabalho, as propriedades mecânicas de amostras forjadas foram avaliadas por ensaios de tração, dureza e impacto, enquanto a microestrutura foi avaliada por metalografia óptica. As engrenagens manufaturadas foram submetidas a ensaios de desgaste FZG, os danos oriundos dos ensaios foram caracterizados por meio de microscopia óptica e MEV, e os dados de fadiga de contato suportados pela distribuição estatística de Weibull. Adicionalmente, o consumo energético de cada rota de processamento foi levantado. Os resultados apontam que o aço bainítico alcança melhores propriedades mecânicas após forjamento, em relação ao aço ferrítico-perlítico, tendo uma boa combinação entre tenacidade e resistência. Atestou-se que a nitretação a plasma proporciona uma dureza superior a alcançada por processos convencionais. Constatou-se que a rota de processamento proposta demanda 45% menos energia em relação a rota atual, além de possuir um tempo de produção 10% menor. O desempenho em fadiga de contato da rota proposta foi superior à convencional em 36,3%. Ademais, evidenciou-se que o desgaste em engrenagens possui relação com a área de contato, taxas de deslizamento, espessura do filme lubrificante e coeficiente de atrito. Os resultados obtidos comprovam a viabilidade de substituição do aço DIN 20MnCr5 pelo aço DIN 18MnCrSiMo6-4 na manufatura de engrenagens forjadas, visto que se alcançou um objetivo comum entre a otimização de rotas de processamento e o aumento da vida em fadiga de contato de engrenagens.

Energy consumption reductions are between the main points sought by the industrial sector, responsible for a large part of the global energy demand. Research projects on the forging industry seek to reduce energy consumption during the manufacture of mechanical components, through the elimination of heat treatments and the application of thermomechanical processes. The use of advanced bainitic steels has great potential in the optimization of the hot-forged components manufacturing routes. Therefore, the main goal of this research is to assess the possibility of replacing the conventional manufacturing route of DIN 20MnCr5 ferritic-pearlitic steel wrought gears with a manufacturing route of lower energy consumption, using the DIN 18MnCrSiMo6-4 bainitic steel. In this paper, the mechanical properties of forged samples were assessed by tensile, hardness, and impact tests, while the microstructure was assessed by optical metallography. The manufactured gears were submitted to FZG wear tests, the damages were characterized by optical microscopy and scanning electron microscopy, and the fatigue performance data were supported by Weibull's statistical distribution. Furthermore, the energy consumption of each processing chain was assessed. The results showed that bainitic steel achieves better mechanical properties after forging, compared to ferritic-pearlite steel, having a good combination of toughness and strength. It was verified that plasma nitriding provides a hardness greater than that achieved by conventional processes. It was found that the proposed processing route requires 45% less energy compared to the current route, in addition to having a production time of 10% less. The contact fatigue performance of the proposed route was 36,3% higher than the conventional one. Moreover, it was evidenced that the wear on gears is related to the contact area, slip rates, lubricant film thickness, and friction coefficient. The outcomes reached demonstrated the feasibility of replacing DIN 20MnCr5 steel with DIN 18MnCrSiMo6-4 steel in the manufacture of forged gears since a common goal between the optimization of processing routes and the increase of life in gear contact fatigue was achieved.