O que é o aço 1144? Propriedades, composição, usinabilidade e aplicações de engenharia

O aço 1144 tem um papel muito específico e, muitas vezes, mal compreendido na produção quotidiana. Não se trata de um aço de carbono estrutural de uso geral, nem é escolhido para trabalhos pesados de fabricação ou peças soldadas. Em vez disso, o 1144, frequentemente designado Stressproof® no setor, é concebido com um único objetivo principal: ser utilizado em usinagem de alta precisão com pouca deformação.

Do ponto de vista da engenharia, o 1144 é um aço de carbono médio que é fácil de trabalhar e apresenta uma elevada relação resistência/peso. O 1144 é normalmente fornecido num estado trefilado a frio e com tensões internas aliviadas, ao contrário das classes de baixo teor de carbono, como o 1018, que são fáceis de maquinar, mas podem deformar-se após a remoção de material. Este controlo da tensão interna é muito importante para peças CNC com tolerâncias apertadas, nas quais as dimensões, a circularidade e a retidão devem permanecer inalteradas após o desbaste e o acabamento.

O aço 1144 tem um valor diferente do aço 1045. O 1045 é um material com boa temperabilidade, mas muitas vezes necessita de processamento adicional, como tratamento térmico após a maquinagem, para se tornar tão estável como outros materiais. O 1144, por outro lado, foi concebido para ser maquinado “tal como se apresenta”, o que reduz as operações secundárias, o tempo de ciclo e o risco global de fabrico.

Este guia analisa o aço 1144 do ponto de vista da engenharia. Para tal, examina a sua composição química com teor elevado de enxofre, avalia as suas vantagens em termos de maquinagem e apresenta um quadro claro sobre quando o utilizar.

O que é o aço 1144? — Definição e classificação do material

O aço 1144 é um aço ao carbono de teor médio de carbono, ressulfurado, concebido especificamente para a maquinagem de precisão.

• Normas: AISI/SAE 1144 e UNS G11440 são as designações destas normas.

• O fator “à prova de stress”: No mundo dos negócios, 1144 é sinónimo de “Stressproof”, que é uma marca registada da Niagara LaSalle. Isto deve-se ao facto de passar por um processo único de trabalho a frio intenso, seguido de alívio de tensões. Isto proporciona-lhe uma elevada resistência (limite de escoamento de cerca de 100 ksi) sem necessidade de têmpera e revenimento.

Como é o 1144 em comparação com outros aços ao carbono

O 1144 situa-se no meio da família dos aços ao carbono, com um teor de carbono que se situa entre o 1018 e o 1045. No entanto, apresenta um comportamento diferente.

• O 1144 é muito mais resistente e mais duro do que o 1018.

• Em comparação com o 1045, o 1144 sacrifica alguma ductilidade e soldabilidade em troca de uma melhor maquinabilidade e de uma menor tensão residual.

O 1144 não é um aço estrutural que possa ser utilizado para muitas aplicações. Não é adequado para soldadura nem para conformação. Tem uma finalidade bem definida: ser um material preciso para eixos, ideal para torneamento CNC, onde o acabamento superficial e a retidão são muito importantes.

Por que razão o enxofre e o manganês são importantes na composição química

O valor de engenharia de 1144 resulta de um desequilíbrio químico que foi planeado. Este valor incorpora elementos que facilitam o corte, mantendo simultaneamente a resistência.

Tabela 1: Composição química normal (wt%)

A função das inclusões de enxofre e de MnS

O elevado teor de enxofre (cerca de 0,30%) é o que o distingue. O enxofre e o manganês combinam-se para formar inclusões de sulfureto de manganês (MnS) que se espalham por toda a matriz de aço durante a solidificação.

• Quebra de cavacos: Estas inclusões aumentam a tensão no interior do chip, o que faz com que este se parta em pequenos pedaços fáceis de manusear, em vez de longos fragmentos.

• Lubrificação: Ajudam a garantir um funcionamento suave entre a ferramenta e a limalha, reduzindo o calor e o atrito.

• A escolha: Estas inclusões interrompem a continuidade do aço, o que o torna muito menos resistente, dúctil e soldável em geral.

Propriedades mecânicas: resistência sem aquecimento

O perfil mecânico do 1144 revela que foi concebido para ser muito resistente desde o início.

Propriedades mecânicas normais (trefilado a frio e submetido a tratamento de alívio de tensões)

Tabela 2: Comparação das propriedades mecânicas

Nota: Estes valores são normais para barras de 1 polegada. O limite de escoamento do 1144 é quase o dobro do do 1018.

O que isto significa para a engenharia

• Não é necessário qualquer tratamento térmico; O 1144 é normalmente utilizado tal como está. Não é necessário enviar as peças para têmpera e revenimento, o que poupa tempo e dinheiro e evita que as peças se deformem devido ao calor.

• Resistência ao desgaste: Tem uma dureza de cerca de 25 HRC, o que significa que consegue suportar algum desgaste em eixos e munhões sem necessidade de endurecimento superficial (embora possa ser endurecido por indução).

A usinabilidade do aço 1144 — Um dos favoritos do CNC

Muitas pessoas pensam que o 1144 é um dos aços de carbono mais fáceis de usinar.

Por que é fantástico

• Controlo do chip: As inclusões de MnS garantem que as limalhas se partam em pedaços pequenos. Isto é muito importante para os tornos CNC automatizados e para as máquinas suíças, uma vez que as limalhas que se entrelaçam podem interromper a produção.

• Acabamento da superfície: Corta de forma limpa, com poucas deformações, proporcionando um excelente acabamento superficial (Ra) logo à saída da ferramenta.

• Vida útil da ferramenta: Em comparação com o 1045, as pastilhas de metal duro têm uma vida útil muito mais longa, uma vez que apresentam forças de corte mais baixas e lubrificação interna.

Regras para o processamento CNC

• Velocidade: É possível utilizar o 1144 a velocidades superficiais (SFM) mais elevadas do que as dos aços de carbono comuns.

• Feeds: Consegue suportar velocidades de avanço elevadas sem comprometer o acabamento.

• Líquido de refrigeração: Os líquidos de arrefecimento solúveis em água comuns são adequados para a remoção de aparas.

Propriedades do tratamento térmico e do alívio de tensões

O 1144 contém carbono suficiente para ser submetido a tratamento térmico, mas a principal razão pela qual é valioso deve-se ao processo de alívio de tensões que ocorre na fábrica.

O benefício “Stressproof”

O processo de trefilagem deixa uma grande quantidade de tensões residuais no aço trefilado a frio normal. Estas tensões libertam-se quando se usina uma ranhura de chaveta num eixo trefilado a frio, o que faz com que o eixo se curve ou torça.
O 1144 (Stressproof) é submetido a uma laminação especial de alta resistência e, em seguida, a um recozimento para aliviar as tensões.

• Resultado: A barra continua a ser muito resistente, mas apresenta muito pouca tensão residual.

É possível usinar formas complexas, cortes profundos que não sejam simétricos ou ranhuras longas, e a peça permanecerá reta e dentro das tolerâncias.

É possível submeter o 1144 a um tratamento térmico?

• Não recomendado: endurecimento por têmpera. O elevado teor de enxofre no processo de têmpera pode provocar fissuras.

• Endurecimento superficial: Muito bom. O endurecimento por indução funciona muito bem no aço 1144. O elevado teor de carbono torna a superfície suficientemente resistente para suportar o desgaste, enquanto o núcleo mantém a sua resistência. Isto é ideal para peças de movimento linear e eixos de motores.

Escolher entre o aço 1144 e o aço 1045 para engenharia

O problema mais comum na conceção de um eixo é escolher entre o 1144 e o 1045.

Tabela 3: Matriz de decisão para 1144 vs. 1045

O critério de decisão:

• Escolha 1144 se precisar de elevada resistência e precisão logo à saída da máquina e não tiver de soldar. A eliminação do tratamento térmico e das operações de endireitamento compensa o custo adicional do material.

• Se precisar de soldar a peça ou se pretender submetê-la a um tratamento térmico por conta própria para obter determinadas propriedades, escolha 1045.

Utilizações comuns do aço 1144

O 1144 é o melhor material para peças de máquinas rotativas.

• Eixos do motor: É muito importante que sejam fortes e retos.

• Hastes de guia linear: São frequentemente endurecidos por indução para aumentar a sua durabilidade em contacto com os rolamentos.

• Parafusos de passo: Os perfis das roscas têm de ser maquinados com muito cuidado.

• Pinos e buchas: Quando a capacidade de carga é superior à de 1018.

• Eixos das bombas: Não vibram porque mantêm o mesmo tamanho.

Limitações ao nível do design e do ambiente

O 1144 tem limites rígidos, apesar de funcionar bem.

1. Soldabilidade: o maior problema

Não solde o 1144.
Como contém muito enxofre, provoca “fragilidade a quente” (fissuras no cordão de soldadura) e porosidade. As propriedades mecânicas na zona afetada pelo calor (HAZ) deterioram-se significativamente. Se for necessário soldar, utilize 1045 ou 1018.

2. Resistência à ferrugem

O 1144, tal como todos os aços ao carbono, não resiste à corrosão por si só.

• Risco: Em condições de humidade, vai enferrujar imediatamente.

• Fixar: É necessário proteger as peças através de lubrificação, oxidação negra, zincagem ou pintura. Tenha em atenção que as inclusões de enxofre podem, por vezes, prejudicar a obtenção de acabamentos de galvanização de alta qualidade.

3. Força quando se está cansado

As inclusões de sulfureto são resistentes, mas atuam como focos de tensão, o que reduz ligeiramente o limite de fadiga em comparação com aços mais puros, como o 4140.

Resumo - Lições importantes de engenharia

O aço 1144 é um material especial que resolve os problemas de fabricar produtos de forma económica e com precisão.

Pontos importantes:

• Não o soldes, usina-o: Ótimo para cortar, mau para soldar.

• Pronto a usar: Proporciona uma resistência ao escoamento de cerca de 100 ksi sem necessidade de aquecimento.

• Mantém-se reto: O estado de alívio de tensões reduz a deformação durante a maquinagem.

• Endurecível em superfície: Pode ser endurecido por indução nas superfícies sujeitas a desgaste.

Os engenheiros podem, muitas vezes, omitir etapas inteiras do processo (como o tratamento térmico, o endireitamento e o esmerilamento) quando especificam o 1144. Isto reduz o custo total da peça, apesar de as matérias-primas serem mais caras.

Perguntas frequentes

P: O aço “Stressproof” é o mesmo que o aço 1144?
R: Sim, de certa forma. “Stressproof” é o nome de uma marca que designa um determinado tipo de barra 1144 trefilada a frio e submetida a tratamento de alívio de tensões, protegida por marca registada. É possível comprar barras 1144 genéricas, mas a Stressproof garante determinadas propriedades mecânicas, como um limite de escoamento de 100 ksi.

P: É possível soldar o aço 1144?
R: Não. Devido ao elevado teor de enxofre, considera-se que não é soldável, uma vez que pode rachar. Se for necessário unir as peças, utilize parafusos, encaixes por pressão ou cola.

P: O 1144 vai enferrujar?
R: Sim. Este aço ao carbono não contém crómio. É necessário aplicar óleo, um revestimento ou tinta para evitar que enferruje.

P: O 1144 é mais resistente do que o 1018?
R: Sim, bastante. O limite de escoamento do 1144 situa-se normalmente em cerca de 100 000 psi, enquanto o do 1018 ronda os 54 000 psi. É quase duas vezes mais resistente.

P: É possível realizar um endurecimento superficial do aço 1144?
R: Sim, mas, na maioria das vezes, é endurecido por indução. Já contém carbono 0.44%, pelo que tem carbono suficiente para endurecer por si só, sem necessidade de adicionar mais (carburização).