Polimento: Processo de Melhoria de Superfície para Acabamento Superior do Aço

Definição e Conceito Básico

O burnishing é um processo de acabamento de superfície que envolve esfregar ou pressionar uma ferramenta endurecida e altamente polida contra uma superfície metálica sob pressão para produzir um acabamento liso e endurecido sem remover material. Ao contrário dos processos abrasivos, o burnishing deforma plasticamente as irregularidades da superfície em vez de cortá-las, resultando em uma superfície densificada e semelhante a um espelho, com propriedades mecânicas melhoradas.

Na ciência dos materiais e engenharia, o burnishing representa uma técnica importante de trabalho a frio que melhora a integridade da superfície enquanto simultaneamente melhora as características de desempenho funcional. O processo cria tensões residuais compressivas na camada superficial, o que pode melhorar significativamente a resistência à fadiga e as propriedades de desgaste.

Dentro do campo mais amplo da metalurgia, o burnishing ocupa uma posição única entre os processos tradicionais de remoção de material e os métodos de tratamento de superfície. Ele serve tanto como uma operação de acabamento quanto como uma técnica de aprimoramento de superfície, preenchendo a lacuna entre a precisão dimensional e a modificação das propriedades da superfície em componentes metálicos.

Natureza Física e Fundamento Teórico

Mecanismo Físico

No nível microestrutural, o burnishing envolve a deformação plástica das asperidades da superfície através da aplicação controlada de pressão. Quando a ferramenta de burnishing aplica pressão que excede a resistência ao escoamento do material, os picos da superfície fluem plasticamente para os vales adjacentes, criando um perfil de superfície mais suave.

Esse processo causa um movimento e multiplicação significativos de deslocalizações dentro da estrutura cristalina do aço. O aumento da densidade de deslocalizações leva ao endurecimento por deformação da camada superficial, com deslocalizações se entrelaçando e impedindo o movimento adicional, aumentando assim a dureza e a resistência da superfície.

A deformação plástica também reorienta a estrutura do grão na direção do movimento da ferramenta, criando uma camada de superfície texturizada com propriedades direcionais. Essa reorientação, combinada com o refino do grão próximo à superfície, contribui para o comportamento mecânico modificado dos componentes burnished.

Modelos Teóricos

O principal modelo teórico que descreve o burnishing é o modelo de deformação elástica-plástica, que caracteriza a resposta do material sob a pressão de burnishing aplicada. Este modelo considera tanto a recuperação elástica quanto a deformação plástica permanente durante o processo.

Historicamente, a compreensão do burnishing evoluiu de observações empíricas no início do século 20 para modelos analíticos mais sofisticados na década de 1950. Trabalhos iniciais de pesquisadores como Tabor e Bowden estabeleceram relações fundamentais entre a pressão aplicada, as propriedades do material e a deformação da superfície.

Abordagens modernas incluem modelagem por elementos finitos (FEM) para prever os resultados do burnishing, enquanto modelos analíticos baseados na mecânica de contato Hertziana fornecem aproximações simplificadas, mas úteis. Simulações de dinâmica molecular surgiram recentemente como ferramentas para entender aspectos em escala nanométrica do processo de burnishing.

Base da Ciência dos Materiais

Os efeitos do burnishing estão intimamente relacionados à estrutura cristalina do aço, com estruturas cúbicas de corpo centrado (BCC) e cúbicas de face centrada (FCC) respondendo de maneira diferente à deformação aplicada. O processo cria distorções na rede e aumenta a densidade de defeitos cristalográficos próximos à superfície.

Os limites de grão desempenham um papel crucial no processo de burnishing, atuando como barreiras ao movimento de deslocalizações. O processo pode refinar a estrutura do grão próximo à superfície através de deformação plástica severa, criando grãos ultrafinos que melhoram as propriedades mecânicas de acordo com a relação Hall-Petch.

O princípio fundamental da ciência dos materiais subjacente ao burnishing é o endurecimento por trabalho (endurecimento por deformação), onde a deformação plástica aumenta a resistência do material através da multiplicação e entrelaçamento de deslocalizações. Este princípio explica por que superfícies burnished exibem maior dureza e resistência ao desgaste do que suas contrapartes não burnished.

Expressão Matemática e Métodos de Cálculo

Fórmula de Definição Básica

A pressão básica de burnishing necessária pode ser expressa como:

$$P_b = k \cdot \sigma_y$$

Onde:
- $P_b$ é a pressão de burnishing (MPa)
- $\sigma_y$ é a resistência ao escoamento do material (MPa)
- $k$ é um coeficiente que geralmente varia de 1,2 a 3,0, dependendo do acabamento desejado e das propriedades do material

Fórmulas de Cálculo Relacionadas

A melhoria da rugosidade da superfície pode ser estimada usando:

$$R_a^{final} = R_a^{initial} \cdot e^{-\alpha \cdot F_b \cdot N}$$

Onde:
- $R_a^{final}$ é a rugosidade final da superfície (μm)
- $R_a^{initial}$ é a rugosidade inicial da superfície (μm)
- $F_b$ é a força de burnishing (N)
- $N$ é o número de passagens da ferramenta
- $\alpha$ é um coeficiente experimental dependente das propriedades do material e da ferramenta

A profundidade da camada afetada pode ser aproximada por:

$$d = C \cdot \sqrt{\frac{F_b}{H_v}}$$

Onde:
- $d$ é a profundidade da camada afetada (mm)
- $F_b$ é a força de burnishing (N)
- $H_v$ é a dureza Vickers inicial do material
- $C$ é uma constante dependente do material

Condições e Limitações Aplicáveis

Essas fórmulas são geralmente válidas para materiais dúcteis com capacidade suficiente para deformação plástica, tipicamente com valores de elongação acima de 5%. Materiais com dureza inicial muito alta ou comportamento frágil podem não responder bem ao burnishing.

Os modelos matemáticos assumem propriedades do material homogêneas e não consideram o comportamento anisotrópico ou tensões residuais pré-existentes. Eles são mais precisos para geometrias simples e podem exigir modificação para formas complexas.

Esses cálculos geralmente assumem condições de temperatura ambiente. Em temperaturas elevadas, o comportamento de fluxo do material muda significativamente, e diferentes modelos que incorporam propriedades do material dependentes da temperatura devem ser empregados.

Métodos de Medição e Caracterização

Especificações de Teste Padrão

ASTM B946: Prática Padrão para Preparação de Superfície de Magnésio e Ligas de Magnésio para Eletrodeposição - Inclui burnishing como um método de preparação e especifica procedimentos de teste.

ISO 4287: Especificações Geométricas de Produtos (GPS) - Textura de superfície: Método de perfil - Termos, definições e parâmetros de textura de superfície - Fornece métodos padronizados para medir o acabamento da superfície após o burnishing.

ASTM E18: Métodos de Teste Padrão para Dureza Rockwell de Materiais Metálicos - Comumente usado para medir mudanças na dureza da superfície resultantes do burnishing.

ISO 1143: Materiais metálicos - Teste de fadiga por flexão de barra rotativa - Usado para avaliar melhorias na vida útil à fadiga provenientes de tratamentos de burnishing.

Equipamentos e Princípios de Teste

Perfilômetros de superfície (tipos de contato e não contato) são comumente usados para medir parâmetros de rugosidade da superfície antes e depois do burnishing. Esses dispositivos quantificam mudanças topográficas traçando o perfil da superfície ou usando métodos ópticos.

Testadores de microdureza, particularmente indentadores Vickers e Knoop, são empregados para medir gradientes de dureza da superfície até o substrato. Esses instrumentos aplicam cargas pequenas e precisamente controladas para criar impressões microscópicas cujas dimensões se correlacionam com a dureza.

Equipamentos de difração de raios X (XRD) medem distribuições de tensões residuais em componentes burnished. Esta técnica detecta distorções na rede cristalográfica causadas por tensões residuais através de mudanças nos padrões de difração.

Requisitos de Amostra

Especificações padrão para avaliação de burnishing geralmente requerem superfícies planas com dimensões mínimas de 50mm