Têmpera, Martêmpera e Austêmpera

Têmpera, Martêmpera e Austêmpera

(Parte 2 de 5)

A figura 9 mostra uma curva de dureza típica para um aço contendo 1 %Cr 0,25 %Mo 0,4 %C, a curva de cima representa a dureza obtida para o limite superior do intervalo de composição do aço, enquanto a curva de baixo corresponde ao limite inferior da composição.

Figura 9 –Banda de temperabilidade para o aço En 19B

A área entre as curvas é designada por banda de temperabilidade ou banda Jominy. É vantajoso determinar certas características adicionais relacionadas com a temperabilidade, como seja a variação da dureza dos aços temperados em função quer do teor de carbono, quer da proporção de martensite na estrutura. Resultados deste tipo estão indicados na figura 10 para aços no estado temperado com 50 a 99 % de martensite. A dureza para 50 % de martensite pode ser facilmente determinada para um dado teor de carbono, deterininando-se depois, por análise dos resultados do ensaio de Jominy, a profundidade à qual se obtém 50 % de martensite.

Figura 10 –Efeito da percentagem de martensite e do teor de carbono na dureza após têmpera

O ensaio de Jominy é hoje em dia muito usado para determinar a temperabilidade no domínio Di = 1-6; para valores superiores, o ensaio é de reduzida aplicabilidade. A partir dos resultados do ensaio, é fácil determinar o maior diâmetro de um varão que pode ser completamente endurecido. A figura11 relaciona o diâmetro dos varões com as distâncias Jominy a que se verificam velocidades de arrefecimento iguais às obtidas no centro dos varões, para uma série de diferentes condições de têmpera. Considerando a têmpera ideal (H = ), a que corresponde a curva de cima do gráfica da figura 11, vê-se que a velocidade de arrefecimento a uma distância Jominy de 12,5 mm é equivalente à que se verifica no centro de um varão de 75 mm de diâmetro. Este diâmetro reduz-se a um valor ligeiramente superior a 50 mm, para uma têmpera em água em repouso (H = 1). Por exemplo, um aço que contém 50 % de martensite a 19 mm da extremidade temperada, usando têmpera em óleo em repouso (H = 0,3), terá um diâmetro crítico D0 de 51 mm.

Figura 11 – Equivalência entre distâncias Jominy e diâmetro dos varões

O diagrama da figura 11 permite também determinar a dureza no centro de um provete cilíndrico de um aço particular, desde que se tenha realizado um ensaio de Jominy para esse aço. Suponhamos, por exemplo, que se quer saber a dureza no centro de um provete cilíndrico, de 50 mm de diâmetro, temperado em água em repouso; a figura 11 indica que essa dureza será alcançada, no provete de ensaio Jominy, a uma distância da extremidade temperada aproximadamente igual a 12 mm. Utilizando depois as curvas de dureza Jominy em função da distância, determina-se o valor correspondente da dureza. Quando se pretende determinar os valores de dureza para outros pontos de provetes cilíndricos, por exemplo, na superfície ou a metade do raio, utilizam-se outros diagramas apropriados [7].

2.3 - Efeito do tamanho de grão e da composição química na temperabilidade

As duas variáveis mais importantes que influenciam a temperabilidade são o tamanho de grão e a composição. A temperabilidade aumenta com o aumento do tamanho de grão da austenite, porque diminui a área dos limites de grão. Isto significa que os locais de nucleação da ferrite e da perlite são em menor número, o que provoca o retardamento destas transformações e portanto o

Figura 12 – Efeito do teor de carbono e do tamanho do gão na temperabilidade de aços carbono

aumento da temperabilidade. Do mesmo modo, a maioria dos elementos de liga metálicos diminui a velocidade das reacções ferrítica e perlítica, aumentando também a temperabilidade. Porém, é necessária uma avaliação quantitativa destes efeitos. O primeiro passo consiste na determinação do efeito do tamanho de grão e do teor de carbono. Neste sentido foram efectuadas determinações de Di para aços com teores de carbono entre 0,2 e 1 % e para um intervalo de tamanhos de grão (ASTM 4-8), como se mostra na figura 12. A partir deste diagrama é possível obter, para um aço qualquer, um valor base da temperabilidade, Dic, que é seguidamente corrigido para ter em conta o efeito de elementos de liga adicionais. Esta correcção é feita por meio de factores multiplicativos, que foram determinados experimentalmente para os elementos de liga comuns (figura 13). O diâmetro crítico ideal Di é então calculado a partir da relação empírica:

Di = Dic  2,21 (%Mn)  1,40 (%Si)  2,13 (%Cr)  3,275 (%Mo)  1,47 (%Ni) (percentagens em peso)

Esta relação, devida a Moser e Legat é, na prática, mais exacta do que uma outra proposta anteriormente por Grossman. No caso dos aços de alto carbono é necessário proceder a mais correcções, que têm em conta a temperatura de austenitização, mas, em regra, a relação é bastante boa na previsão da temperabilidade. É igualmente possível, usando análise regressiva, calcular as curvas de dureza Jominy em função da distância, a partir da composição química. No entanto, o ensaio de Jominy é relativamente fácil de realizar, sendo bastante utilizado como técnica de controlo da qualidade e, portanto, não é certamente muito necessária uma relação empírica para determinar a temperabilidade, ainda que todas as variáveis efectivas pudessem ser convenientemente tomadas em conta [7].

Figura 13- Factores multiplicativos de temperabilidade dos elementos de liga mais comuns

2.4 - Temperabilidade e tratamento térmico

A composição da esmagadora maioria de aços é complexa e geralmente definida por especificações que indicam os intervalos de concentração dos elementos mais importantes e os limites superiores das impurezas, tais como o enxofre e o fósforo. Os elementos de liga são usados com vários objectivos, mas o mais importante é a obtenção de resistências elevadas em produtos com formas e dimensões requeridas, por vezes com secções muito grandes, que podem ir até um metro ou mais de diâmetro, como é o caso de grandes veios e rotores. A temperabilidade é portanto da máxima importância, devendo escolher-se a concentração apropriada de elementos de liga, capaz de permitir o endurecimento completo da secção do aço em causa. Como é evidente, não há qualquer interesse em usar uma concentração de elementos de liga demasiado alta, isto é, superior à necessária para o endurecimento total das secções a utilizar.

Os elementos de liga são, em geral, muito mais caros do que o ferro e, nalguns casos, as respectivas reservas naturais começam a escassear, o que constitui mais uma razão para os usar com eficácia no tratamento térmico. O carbono tem uma marcada influência na temperabilidade, mas a sua incorporação nos aços, a níveis relativamente elevados, está limitada pela falta de tenacidade resultante, pela grande dificuldade no fabrico e, sobretudo, pelo aumento da probabilidade de distorção e fractura durante o tratamento térmico e a soldadura.

A forma mais económica de aumentar a temperabilidade de um aço - carbono consiste em aumentar o teor de manganês. Um aumento de 0,60 p % para 1,40 p % provoca uma melhoria substancial da temperabilidade. O crómio e o molibdénio são também muito eficazes e encontram-se entre os elementos de liga mais baratos, por unidade de aumento da temperabilidade. O boro tem um efeito particularmente grande quando adicionado a aços de baixo carbono completamente desoxigenados, mesmo em concentrações da ordem de 0,001 %, e seria, sem dúvida, mais utilizado se a sua distribuição no aço pudesse ser controlada mais facilmente. A influência do tamanho de grão não deve ser esquecida, porque um aumento do tamanho de grão de 0,02 mm para 0,125 mm pode originar um aumento até 50 % da temperabilidade, o que é muito conveniente desde que as propriedades mecânicas, em particular a tenacidade, não sejam demasiado prejudicadas.

Dispõe-se actualmente de informação sobre a temperabilidade de uma enorme variedade de aços, sob a forma de curvas de temperabilidade Jominy, máximas e mínimas, geralmente designadas por bandas de temperabilidade. Na figura 14 são mostradas várias curvas de temperabilidade para alguns aços.

Figura 14 – Curvas de temperabilidade de aços (0,5 Cr 0,5 Ni 0,25 Mo), para teores de carbono no intervalo 0,20-0,60 %.

Uma alta temperabilidade nem sempre é desejável; por exemplo, em muitas ferramentas e componentes de máquinas é conveniente uma superfície dura e resistente ao desgaste, mas com uma boa tenacidade no interior. O endurecimento pouco profundo, ou superficial, tem a vantagem adicional de originar, na têmpera, tensões internas de tracção no interior, enquanto a região superficial fica num estado de compressão. Esta distribuição de tensões é muito conveniente, porque uma fenda de fadiga, nucleada na superfície por concentração de tensões, terá uma propagação mais difícil devido à existência de tensões de compressão [7] [2].

3 – Tratamento térmico de Têmpera

A têmpera é constituída por três fases: o aquecimento; o estágio à temperatura de têmpera; e o arrefecimento. Com o aquecimento pretende-se que a peça austenitise completamente com o objectivo de transformar opós arrefecimento a austenite totalmente em martensite. As propriedades que se pretende obter num determinado aço já lá estão mas num estado latente. É portanto necessário um tratamento cuidadoso e apropriado de modo a se por em evidencia essas propriedades que se encontram em estado latente.

3.1 - Aquecimento

Ao proceder-se ao aquecimento das peças em aço não pode deixar de ser tomada em consideração a sua condutibilidade térmica. Na verdade os aços com muita liga têm uma condutibilidade térmica baixa pelo que necessitam ser aquecidos lentamente para que as tensões devidas às diferenças de temperatura sejam evitadas. Estas tensões podem causar distorções e até fracturas.

Atendendo ao facto destes aços terem normalmente temperaturas de têmpera elevadas deve proceder-se a um preaquecimento para se tentar minimizar o efeito da fraca condutibilidade térmica dos aços ligados.

Os aços com temperatura de têmpera superior a 900ºC devem ser aquecidos e mantidos a uma temperatura intermédia antes de serem aquecidos à temperatura de têmpera.

Os aços com temperaturas de têmpera superiores a 1000ºC devem ser aquecidos em dois e três degraus.

O ideal seria fazer-se sempre um aquecimento em degraus: 1 degrau para temperaturas de têmpera até 900ºC, 2 degraus para temperaturas de têmpera de 1000ºC e 3 para temperaturas superiores a 1000ºC. O numero de degraus depende ainda da forma geométrica da peça a temperar.

O aquecimento em degraus assegura um aquecimento uniforme em toda a secção da peça e evita o sobreaquecimento das arestas e da superfície. Para um aquecimento uniforme deve-se ainda considerar a relação de dimensões entre o forno e a peça que deve ser na ordem de 1/3 do volume do forno.

Um outro problema de têmpera é a descarburização ou oxidação das peças em virtude da atmosfera oxidante existente no forno às temperaturas de têmpera. Uma solução simples para este problema é o empacotamento das peças em papel de jornal e as meter em caixas fechadas ou então empacotar em coque queimado e moído. Ambos os processos apresentam bons resultados, embora o mais adequado será a utilização de fornos onde se pode controlar a atmosfera ou em banhos de sais.

Como regra geral, deverá dizer-se que as peças de forma complicada ou pouco espessas deverão ser elevadas ao limite inferior da zona de temperaturas prescrita para têmpera enquanto que as de grandes dimensões ou de forma simples devem ser aquecidas até ao limite superior indicado pelo produtor.

Poderá definir-se a temperatura de têmpera mais apropriada como aquela que permite obter do aço a sua dureza própria assim como um grão tão fino quanto possível.

Os valores das temperaturas indicados devem ser observados com rigor pois se a temperatura de têmpera for ultrapassada corre-se o risco de aumentar desnecessariamente o tamanho do grão e, para as peças não empacotadas, de provocar uma descarborização exagerada da superfície. Se tal acontecer diz-se que o aço foi sobreaquecido. Se a elevação da temperatura for muito exagerada, obter-se-á uma estrutura grosseira e frágil devida à fusão das impurezas que cercam os grãos e que ao solidificarem se apresentam em forma de finas películas de vidro sem coesão com os grãos. Diz-se então que o aço está queimado não sendo possível qualquer tratamento para a sua recuperação [1].

3.2 - Estágio de Têmpera

O estágio à temperatura de têmpera tem por fim a obtenção duma estrutura totalmente austenítica própria para a operação de arrefecimento. No entanto esta condição só é obtida nos aços hipoeutectoides nos quais a temperatura de têmpera superior cerca de 50ºC à temperatura crítica A3. Para os aços hipereutectoides deveria pretender-se que a temperatura fosse tal que toda a massa do aço fosse austenite. No entanto, verifica-se que se obtêm pelo menos tão boas características como se procedesse à austenitização completa aquecendo a uma temperatura cerca de 50ºC superior à temperatura crítica dada pela linha A1 , isto é, à mesma temperatura do aço eutectóide.

Portanto, para os aços hipoeutectoides, constituídos por perlite e ferrite, que são constituintes macios, procede-se à austenitização acima de Ac3 para se obter a martensite por arrefecimento suficientemente rápido.

Para os aços hipereutectoides, formados por perlite e cementite, só interessa transformar em austenite a perlite pois que a cementite é mais dura que a martensite, podendo ficar como constituinte final juntamente com a martensite. Por isso é suficiente aquecer o aço acima da linha SK, que é o limite da estabilidade da perlite. Por esta razão a martensite dos aços hipereutectoides possui aproximadamente 0,86%C seja qual for o teor total em carbono do aço. Consequentemente a dureza obtida por têmpera é, para estes aços, sensivelmente a mesma que para o aço eutectóide conforme mostra a figura 15. Com efeito, este diagrama mostra a influência do teor em carbono na dureza do aço obtida por têmpera brusca. Este diagrama é valido para os aços com ou sem liga uma vez que a influência dos outros elementos de liga na dureza é desprezável. Verifica-se que o máximo de dureza é de 66-68 HRC.

Figura 15 – Relação entre a dureza obtida por têmpera e o teor em carbono

O carbono necessário à operação de têmpera encontra-se combinado sob a forma de carbonetos que se dissolvem, entretanto, em consequência do estágio à temperatura de têmpera.

A solubilidade dos carbonetos varia com a sua composição, estando os carbonetos de vanádio e os de tungsténio entre aqueles que mais dificilmente se dissolvem. exactamente para se conseguir uma dissolução conveniente dos carbonetos é que a temperatura de têmpera é de pelo menos 40ºC superior ao ponto de transformação. No entanto, a presença de carbonetos dificilmente solúveis chega a elevar aquela temperatura até cerca de 300ºC acima do ponto de transformação.

O tempo de estágio à temperatura de têmpera depende de vários factores: composição química do aço, dimensão da peça, temperatura de têmpera, modo como se processa o aquecimento até aquela temperatura.

Como já foi indicado, nos aços com elevado teor em carbono, portanto com elevadas quantidades de carbonetos, faz-se dissolver apenas uma parte destes carbonetos para a obtenção da dureza máxima da matriz. Os restantes carbonetos, que se encontram por dissolver à temperatura de têmpera, permaneceram não dissolvidos após o arrefecimento.

Estes aços são mais resistentes ao desgaste que os aços com a mesma dureza mas sem carbonetos não dissolvidos.

Como regra geral para cálculo do tempo de estágio à temperatura de têmpera pode indicar-se:

  • para aços sem liga ou pequena liga:

5 minutos por 10 mm de espessura

  • para aços com liga média:

7 minutos por 10 mm de espessura

  • para aços com muita liga:

10 minutos por 10 mm de espessura.

Devemos salientar que a utilização de tempos de estágio exagerados dá origem à formação dum grão demasiadamente grande e, para as ferramentas não empacotadas, a uma descarbonização exagerada da superfície.

Deve considerar-se como tempo de aquecimento a soma do tempo de aquecimento até à temperatura de têmpera mais o de estágio a esta temperatura. Dada a dificuldade em avaliar o tempo de aquecimento correcto no caso das ferramentas empacotadas é conveniente que a colocação dos elementos termoeléctricos se faça na proximidade da peça a aquecer [1] [3].

3.3 - Arrefecimento

Após aquecimento correcto e estágio suficiente à temperatura de têmpera, a estrutura do aço é constituída por cristais de austenite nos quais estão incrustados carbonetos hipereutectoides no caso de aços hipereutectoides. Neste momento, as peças serão arrefecidas a determinada velocidade para que a austenite se transforme em martensite ou, se se pretender, em bainite.

Os meios de arrefecimento mais utilizados são, a água, o óleo e o banho de sais, além do ar. Neste último caso usa-se normalmente um jacto de ar seco. São ainda usados, em casos especiais, outros meios de arrefecimento tais como soluções, vapores e gases.

No caso da utilização da água a sua temperatura deve ser de 20º a 30ºC. No caso do óleo deve estar a 50/60ºC para se evitar perdas excessivas por evaporação. Deste modo se obterá o melhor efeito de arrefecimento.

Quando se tempera na água, uma adição de 5% de soda caustica ou de 10% de sal das cozinhas pode ser útil. Como efeito, ambos aceleram o arrefecimento da camada de vapor que envolve a peça quando ela é mergulhada na água, o que facilita a tarefa de suprimir a formação de zonas macias causadas na superfície pelas bolhas de vapor. O uso da soda caustica tem a desvantagem de constituir um perigo para os olhos do operário enquanto o uso do sal pode causar o enferrujamento das peças se elas não forem limpas cuidadosamente.

As ferramentas que devam ser temperadas apenas parcialmente são arrefecidas por jacto de água ou por jacto de água submerso.

Relativamente aos óleos utilizados existem, além dos óleos próprios para têmpera fornecidos pelas companhias de óleos, o óleo de peixe refinado e o óleo de colza. O óleo deve ser utilizado em boas condições, isto é, muito limpo e isento de humidade, nunca devendo ser empregue óleo usado e queimado.

O banho de sais, que oferece um arrefecimento muito menos severo que o óleo, tem vindo a tomar uma grande importância nas instalações de tratamentos térmicos.

No arrefecimento depara-se de novo, tal como no aquecimento, com o problema da prevenção contra as tensões térmicas. Com efeito, o arrefecimento origina tensões nas peças em virtude da contracção que se processa. As partes delicadas das peças são propensas a desenvolver tensões tão elevadas que podem originar a sua fractura. Neste caso, recomenda-se a aplicação da têmpera interrompida. Este processo, tratando-se de aços temperáveis na água, consiste em arrefecer as ferramentas, primeiramente, em água até à cessação dos silvos provocados pelas vibrações produzidas pela formação de vapor na superfície das peças, para em seguida as arrefecer completamente no ar ambiente ou no óleo, isto é, meio menos enérgico que o primitivo.

Aquando da têmpera no óleo ou no ar, o perigo de rupturas ou de deformações é menor. Em todo o caso, é necessário agitar-se a peça no banho de água ou de óleo, ou rodá-la convenientemente na corrente de ar no caso da têmpera no ar.

(Parte 2 de 5)

Comentários