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Fatores a serem considerados na seleção da Matéria-Prima para Molas Prato

por John Valvoda - Especialista em Aplicações de Molas Prato

As Molas Prato são componentes funcionais ideais para obter forças consistentes e previsíveis dentro de distâncias de deslocamento especificadas. Ao contrário de outros tipos de molas, incluindo arruelas Belleville, as Molas Prato têm uma vida útil previsível que pode ser calculada. A confiabilidade e previsibilidade dessas molas projetadas e de alto desempenho são incomparáveis. Embora as Molas Prato pareçam uma arruela cônica simples, o processo de seleção da Mola Prato ou conjunto de Molas Prato corretas é bastante técnico.

Escolher o material adequado para a Mola Prato é tão importante quanto selecionar o tamanho adequado da Mola Prato para sua aplicação. Isso ocorre porque os fatores da matéria-prima são afetados por: 

1.  Força
2.  Ambiente operacional
3.  Vida útil
4.  Custo

Abaixo está uma visão geral das (4) variáveis mencionadas acima e como cada uma delas pode afetar a seleção do material da Mola Prato. 

Figura 1
As Mola Prato estão disponíveis em diferentes tipos de materiais. Nesta imagem, as Mola Prato são mostradas em aço carbono (à esquerda) e aço inoxidável 17-7 (à direita).

Força

Geralmente, as Mola Prato de Aço Carbono e Liga de Aço apresentam melhor desempenho devido à sua capacidade de ser “elástica”. O Aço Carbono e a Liga de Aço, também são excepcionalmente duráveis e resistentes à fadiga quando tratados termicamente. Geralmente, você verá uma maior força de saída (5-6% a mais) em uma Mola Prato de Aço Carbono ou Liga em comparação com uma mola de aço inoxidável 301 ou 17-7 do mesmo tamanho. Embora o Aço Carbono e a Liga de Aço, ofereçam um desempenho superior em um ambiente comum, seu desempenho pode começar a diminuir em temperaturas mais altas. As Molas Prato de aço inoxidável oferecem melhor resistência à temperatura, mas não mantêm sua força em temperaturas extremas tão bem quanto materiais exóticos, como as Molas Prato Inconel. Em situações em que é desejada proteção contra corrosão, o engenheiro de projeto deve considerar a relação custo-benefício entre usar 2 ou 3 Molas Prato de aço inoxidável em paralelo versus uma Mola Prato de aço carbono ou liga com zinco mecânico ou ArmorGalv® (um revestimento de difusão térmica de liga de zinco) - com ambas as opções alcançando a mesma força.

Materiais comuns das molas prato  Grau Módulo de elasticidade

Aço-liga

51CrV4 (1.8159) / UNS G61500 206 GPa

Aço de alto carbono

C67S (1.1231) / UNS G10700 206 GPa

Aço inoxidável 301

X10CrNi18-8 (1.4310) / UNS 30100 190 GPa

Aço inoxidável 17-7

X7CrNiAl17-7 (1.4568) / UNS S17700 200 GPa

Liga INCONEL® X-750

NiCr15Fe7TiAl (2.4669) / UNS N07750 214 GPa

Tabela 1

Considerações sobre o ambiente operacional

A decisão sobre a seleção da matéria-prima para as Mola Prato pode ser bastante complexa quando se consideram todos os parâmetros . As temperaturas operacionais e o potencial de corrosão são fatores importantes na seleção do material e/ou revestimento.

Por exemplo:

  • Em uma aplicação aeroespacial, onde temperaturas extremas entram em jogo, uma mola prato Inconel faz sentido? Pode ser, porém, como alternativa, você pode considerar o uso de molas prato de aço inoxidável 17-7 em uma configuração diferente para obter o desempenho desejado na montagem. O Aço Carbono e a Liga de Aço não resistem a ambientes corrosivos. Nesse caso, especialmente em aplicações dinâmicas, o aço inoxidável 17-7 são a melhor opção.
  • Em sistemas de freio, a necessidade de longevidade é fundamental. A limpeza é crítica para que detritos não entrem na linha de freio. À primeira vista, o aço inoxidável parece ser a escolha óbvia. Mas e se, na aplicação, as Mola Prato forem submersas em fluido hidráulico? As Mola Prato de aço carbono e aço liga não revestidas terão desempenho superior a um custo menor e as molas prato imersas em fluido hidráulico serão protegidas contra corrosão.

 

3. Vida útil

A escolha do material de uma Mola Prato afeta a vida útil estimada em uma aplicação. O maior fator na vida útil das molas prato é quão próxima a tensão que está sendo aplicada na mola prato está de atingir a resistência à tração ou a resistência ao escoamento da matéria-prima. O fator secundário é a diferença entre as tensões máxima e mínima durante o ciclo. Diferenças maiores resultam em vida útil mais curta. Outro fator importante a considerar é que a Mola Prato está sendo usada na aplicação. A Mola Prato está em uma aplicação estática, dinâmica ou de impacto? Em uma aplicação dinâmica, o aço inoxidável da série 300 endurece com o uso e pode ter uma vida útil mais curta em comparação com o aço inoxidável 17-7 e o aço carbono/liga. A vida útil das Molas de Prato na aplicação específica deve ser calculada antes de tomar uma decisão final.

Custo

É óbvio que quanto mais exótica for a matéria-prima, maior será o custo da Mola Prato. No entanto, o custo é o principal fator determinante? Um material mais exótico que dure mais tempo sem necessidade de substituição será mais econômico no geral? Ou uma Mola Prato feita de um material padrão disponível no mercado, que exigiria substituição com mais frequência, ainda resultaria em um custo total menor com base na vida útil desejada da montagem? O custo não é tão simples quanto parece. 

Tabela de vida útil à fadiga: 1.25mm ≤ t ≤ 6.0mm

Figura 2
Vida útil estimada para molas prato DSC 50 x 25,4 x 2
Eixo Y = Tensão diferencial máxima
Eixo X = tensão de tração mínima

Conclusão

Há muitos fatores a serem considerados ao determinar a matéria-prima mais adequada para uma aplicação específica. Recomenda-se que você trabalhe com engenheiros de aplicação especializados em projetar e fabricar Mola Prato e conjuntos de molas prato para garantir que a matéria-prima adequada seja selecionada para atender aos requisitos técnicos e comerciais desejados para a sua aplicação.

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