Têmpera, Martêmpera e Austêmpera

Têmpera, Martêmpera e Austêmpera

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  1. 15% perlite

8630 10% ferrite e bainite

  1. 20% ferrite e bainite

52100 50% perlite e bainite

4150 20% bainite

  1. 5% bainite

[3] [6]

A influência de estruturas misturadas deve ter uma especial observação e um profundo estudo. De acordo com as estruturas misturadas e com as suas percentagem as propriedades mecânicas são fortemente alteradas, sendo então necessário para cada aplicação conjugar as estruturas e as percentagens destas para deste modo se obter o aço com características adequadas à aplicação.

Na selecção dos aços para martempera terá que ser julgada a sua dureza e a sua secção (espessura) da peça a tratar térmicamente. Para formar a mesma quantia de martensite, para uma determinada secção (espessura), a percentagem de carbono ou de liga, ou ambos deve ser um pouco mais elevada para o tratamento térmico de martempera do que para um arrefecimento convencional (tempera).

5 – Tratamento térmico de Austêmpera

Austêmpera é a transformação isotérmica de uma liga ferrosa a uma temperatura inferior à temperatura a que se realiza a transformação perlítica, ainda assim dentro da transformação de Martensite.

O processo é realizado da seguinte maneira:

1 – Aquece-se o material até a uma temperatura dentro do domínio austenítico (760ºC – 870ºC).

2 – arrefecimento rápido até uma temperatura entre 260ºC a 400ºC

3 – estágio em banho isotérmico até se conseguir a transformação em bainite.

4 – arrefecimento em câmara de temperatura, geralmente em ambiente controlado.

As principais diferenças entre a austêmpera e arrefecimento rápido convencional (têmpera) e revenido está bem patente na figura 24.

Figura 24

O principal objectivo da austêmpera é aumentar a ductilidade, resistência à fadiga, a tenacidade, aumentando assim as suas propriedades relacionadas com a dureza.

Para ser conseguida uma verdadeira austêmpera, o metal deve ser arrefecido, desde a temperatura de austenitização até à temperatura de banho da austêmpera, suficientemente rápido de modo a que não ocorra nenhuma transformação de austenite durante o arrefecimento e a temperatura do banho deve manter-se durante um período de tempo suficiente para assegurar uma transformação de austenite em bainite. Modificações deste procedimento, constituem desvios da verdadeira austêmpera [3] [6].

5.1 – Meios de arrefecimento na austêmpera

5.1.1 - Banhos de sais para austêmpera

O banho de sais é o meio de arrefecimento de uso mais comum na austêmpera, isto porque, transfere rapidamente o calor e elimina o problema da barreira de fase do vapor durante a fase inicial do arrefecimento. A sua faixa de viscosidade é baixa para temperaturas próximas da austêmpera, minimiza assim as perdas por arrastamento, mantém estável as temperaturas de operação e é completamente solúvel na água , facilitando assim as operações de limpeza.

Formulação e características de dois tipos de banhos são fornecidos na figura 25 o banho de sais de banda larga é somente usado na austêmpera enquanto o de banda curta é usado na austêmpera, martêmpera e modificações destes processos.

Figura 25 – Características físicas de dois tipos de banos usados em austempera

Adições de água ao banho de sais

Adicionar ao banho água, pode causar sérias perturbações, dando origem a um salpicar do mesmo aquando da imersão das peças, não obstante se reconhecer que se trata de uma “aventura”, este procedimento é frequentemente necessário para aumentar a taxa de arrefecimento do banho de sais da austemperização e manter o conteúdo de humidade.

Este procedimento pode ser acompanhado de vários métodos com completa segurança.

1 - a água pode ser adicionada a uma taxa moderada numa área do banho de sais vigorosamente agitado

2 - nas instalações em que a circulação do banho de sais é executada através de uma bomba, impedir os sais que são repelidos pela reacção através de um jacto controlado de água na zona originária dos mesmos, é o procedimento adequado.

3 - O banho da austemperização pode manter-se saturado com humidade, introduzindo um jacto de vapor directamente no banho, a linha de vapor deve ser barrada com equipamento de descarga para prevenir um esvaziamento da condensação directamente no banho.

A água nunca deve ser adicionada ao banho a partir de um balde ou outro recipiente do género.

5.1.2 – Óleos para austêmpera

É muito raramente usado na austemperização devido à sua instabilidade química às temperaturas a que se realiza este tratamento térmico, de que resulta uma mudança da sua viscosidade. Devido à persistente fase de vapor, torna-se num meio de arrefecimento mais lento do que o banho de sais a elevadas temperaturas, existindo mesmo o perigo de combustão.

5.2 - Aços para austemperização

A selecção do aço para austemperizar deve ser baseada nas características de transformação, com base nos diagramas TTT.

Três considerações importantes são:

a localização do nariz da curva e o tempo disponível para a contornar

1 - o tempo necessário para a completa transformação da austenite para bainite à temperatura de austêmpera

2 - a localização do ponto Ms.

Como se encontra indicado na figura 26 o aço ao carbono 1080 possui características de transformação que lhe conferem capacidade limitada para ser sujeito a este tratamento térmico. O arrefecimento desde a temperatura do domínio austenítico até ao banho austemperizante deve ficar completo num intervalo de tempo próximo de 1 segundo para fugir ao nariz da curva TTT e assim prevenir a formação de perlite durante esse arrefecimento.

Dependendo da temperatura, a transformação isotérmica no banho fica completa num intervalo de tempo compreendido entre alguns minutos e cerca de uma hora. Devido à elevada taxa de arrefecimento a austemperização de um aço com estas características é possível apenas para secções reduzidas [3] [6].

Figura 26-– Diagramas TTT dos aços 1080

O aço de baixa liga 5140 é apropriado para a austemperização, como podemos observar através da sua curva TTT apresentada na figura 22. Cerca de 2 segundos são permitidos após a passagem do nariz da curva e a transformação completa de bainite realiza-se num tempo compreendido entre 1 e 10 min. a cerca de 400ºC. Aços com características semelhantes a este são apropriados para austemperização em secções superiores à do aço anterior, isto deve-se ao maior intervalo de tempo disponível depois de ultrapassado o nariz da curva TTT.

Aços apropriados para a austemperização devem conter teores de carbono compreendidos entre 0,5 e 1%, ainda um mínimo de 0,6% de manganês (Mn) Aços com teor de carbono superiores a este devem conter teores em manganês (Mn) ligeiramente inferiores a 0,6%. Certos aços ao carbono contendo menos de 0,5% de carbono mas com teores de manganês (Mn) compreendidos entre 1,0 e 1,65%. Ainda aços considerados de baixa liga contendo menos de 0,3% de carbono.

Muito embora alguns aços tenham teores em carbono ou elementos de liga suficientes para serem endurecidos após serem submetidos à acção de tratamentos térmicos, não se podem austemperizar, porque:

1 - a transformação no nariz da curva depois de 1 segundo torna-se virtualmente impossível de arrefecer algo que não uma secção particularmente pequena no banho de sais sem a formação de perlite.

2 - Requerem excessivos períodos de tempo para a transformação.

5.2.1 - Temperatura de austemperização

A temperatura de austemperização (temperatura Ms.) dos aços, decresce com o aumento do teor em carbono, isto fica a dever-se a uma maior solução de carbono. O efeito directo dos elementos de liga na definição do ponto Ms., é menor do que o efeito do teor do carbono. Contudo elementos carburígenos, como o molibdénio e o vanádio, podem ligar o carbono na forma de carbonetos e assim prevenir a completa solução do carbono.

A temperatura aproximada do ponto Ms. pode ser calculada através desta fórmula:

A temperatura de austenitização tem efeito significante no tempo em que a transformação começa. Como a temperatura de austenitização aumenta acima do norma, o nariz da curva desloca-se para a direita devido ao crescimento do grão.

No entanto este tamanho de grão devido às altas temperaturas de austenitização, pode deteriorar irremediavelmente as propriedades mecânicas desejadas para o aço. No entanto se as experiências provarem que as vantagens adquiridas com este processo não afectam a harmonia do aço, acarretada com o crescimento do grão, estas temperaturas devem ser utilizadas.

5.3 – Limitação das secções das peças para austêmpera

A máxima espessura, é mais importante do que propriamente a massa da peça na determinação se uma peça pode ou não ser austemperizada.

Peças com secção significativamente espessa, de um aço ao carbono, são regularmente austemperizadas na produção de peças em série, isto porque, a presença de alguma perlite na microestrutura é vulgar, e não prejudica as propriedades pretendidas para essas mesmas peças [3] [6].

5.4 - Aplicações

A austêmpera é usualmente substituída pelo arrefecimento lento ou pelo revenido, as duas razões seguintes podem explicar o porquê:

  1. para obter melhores propriedades mecânicas nomeadamente, maior dureza, maior ductilidade e melhor resistência à fadiga.

  2. para diminuir as probabilidades de rotura ou empenos, conforme o tipo de aço cada tipo de aço.

Em alguns casos o uso da austêmpera é menos dispendioso do que o revenido ou o arrefecimento convencional. A austêmpera requer apenas dois passos de processamento, enquanto a austenitização e transformação isotérmica no banho austenitizante.

O campo de aplicações da austêmpera geralmente engloba partes fabricadas a partir de barras de pequeno diâmetro ou a partir de chapa de pequena diagonal. Este tratamento térmico é particularmente aplicável em secções finas de aço ao carbono que requerem excepcional dureza, (da ordem de Rockwell C 50) e ductilidade elevada. Na austemperização de peças de aço ao carbono a redução da área é bastante maior do que nas peças sujeitas ao arrefecimento convencional ou revenido.

È mais importante que as peças sujeitas á austemperização possuam as características mecânicas desejadas do que uma estrutura completamente bainitica.

Dureza superior ao normal indica acima de tudo a presença de alguma perlite. Na prática industrial uma quantidade apreciável de peças são satisfatoriamente conseguidas sem que a estrutura seja completamente bainitica [3] [6].

5.5 – Controlo das varáveis do processo

A temperatura do banho determina a dureza e outras propriedades obtidas nas peças que foram submetidas ao tratamento térmico. Um arrefecimento incompreendido do banho de sais resulta num custo inassegurado.

Usualmente uma variação da temperatura na ordem dos 10ºC é admissível,, no entanto variações superiores podem traduzir-se em resultados inaceitáveis na dureza pretendida.

O tempo no banho, deve ser suficiente para permitir uma transformação completa da austenite em bainite. É permitido que as peças continuem no banho por períodos superiores ao permitido, torna-se apenas mais dispendioso para os mesmos resultados.

A agitação no banho modifica significativamente a velocidade de arrefecimento, logo torna-se uma variável a ter em conta neste processo. Conforme o tipo de agitação é definida a especificidade de cada aplicação.

5.6 - Controlo dimensional

Usualmente as peças sofrem menores variações dimensionais na austemperização do que no revenido ou no arrefecimento convencional, logo torna-se o melhor meio para tratar termicamente peças com toleranciamentos apertados, sem ser necessário recorrer a posterior maquinagem.

Como foi mencionado anteriormente, modificações na austêmpera podem levar à obtenção de estruturas mistas com perlite e bainite. Estas quantidades podem variar consideravelmente nas diferentes modificações ao processo. [3] [6].

6 – Glossário

A1 – temperatura de equilíbrio da transformação austenite↔ferrite+cementite. No aquecimento, inicia-se a transformação em austenite; no arrefecimento, termina a transformação da austenite em ferrite ou na mistura ferrite mais cementite de composição eutectóide (perlite).

A3 – temperatura de equilíbrio da transformação austenite↔ferrite no caso dos aços hipoeutectóides. Acima desta temperatura só a austenite é estável; abaixo, aparece a ferrite progressivamente.

Ms – temperatura a que, no arrefecimento, se inicia a transformação da austenite em martensite.

D0 – diâmetro crítico

Di – diâmetro ideal

D – diâmetro crítico ideal

AÇOS:

Norma – SS Norma DIN

1046 GS – 46Mn4 C (0,42 – 0,50), Si (0,25 – 0,50), Mn (0,90 – 1,20),

P(0,045), S (0,045)

1034

1090 90Mn4 C (0,85 - 0,95), Si (0,25 - 0,50), Mn (0,90 – 1,10),

P (0,035), S (0,035)

5140 41Cr4 C (0,38 – 0,45), Si (0,15 – 0,40), Mn (0,50 – 0,80),

Cr (0,90 – 1,20)

4340 40NiCrMo6 C (0,35 – 0,45), Si (0,15 – 0,35), Mn (0,50 – 0,70),

Ni (1,40 – 1,70), Cr (0,90 – 1,40), Mo (0,20 – 0,30)

7 – Bibliografia

[1] – Soares Pinto – “Aços: caracteristicas, Tratamentos”, 2ª edição, Ambar, Porto, 1975

[2] – Seabra, Antera Valariana da –“Metalurgia Geral”, volume II, 2ª edição, Laboratório nacional de engenharia civil, Lisboa, 1995

[3] – Society of Manufacturing Engineers – “Tool and manufacturing engineers andbook; Materials, Finishing and coating”, volume III, 4ª edição

[4] – ASM Handbook Committee – “Metals handbook – heat treating, cleaning and finiching”, volume II, 8ª edição

[5] – Carillos L.A. – “Máquinas Calculo de Taller”, 28ª edição, Edicion hispanoamericana, Madrid, Espanha, 1975

[6] – “Heat Treater’s Guide – Pratctics and procedures for irons and steels”, 2ª edição, ASMinternational, United States of America, 1995

[7] – Honeycombe R. W. K. – “Aços microestruturas e propriedades”, Fundação Calouste Gulbenkian, Lisboa, 1992

[8] – Monteiro, A. A. C. – “Notas sobre apresentação de relatórios”, Univ. do Minho, D. E. M., 1995

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