Introdução aos tratamentos térmicos

Introdução aos tratamentos térmicos

(Parte 1 de 3)

CAMPUS IMPERATRIZ Diretoria de Ensino – DEN

Departamento de Ensino Técnico – DENTEC Curso Técnico em Eletromecânica

Prof. LAÉCIO GOMES GALDINO

Prof. LAÉCIO GOMES GALDINO

Apostila aplicada ao Curso Técnico em Eletromecânica do Instituto Federal de Educação, Ciências e Tecnologia do Maranhão/ CAMPUS Imperatriz, como complementação didática à disciplina Materiais.

1 INTRODUÇÃO3
2 TRATAMENTOS TÉRMICOS4
2.1 Objetivos Gerais4
2.2 Tipos Comuns4
2.3 Fatores de Influência5
2.3.1 Temperatura5
2.3.2 Tempo de Permanência6
2.3.3 Velocidade de Resfriamento6
2.3.4 Proteção das Peças7
2.4 Esferoidização7
2.5 Recozimento8
2.6 Normalização9
2.7 Têmpera9
2.8 Revenido1
2.9 Martêmpera13
2.10 Austêmpera13
TERMOQUÍMICOS16
3.1 Cementação16
3.1.1 Tratamentos térmicos posteriores17
3.2 Nitretação18
3.2.1 Métodos de nitretação18
3.2.1.1 Nitretação a gás18
3.2.1.2 Nitretação por via líquida19

1 INTRODUÇÃO

O ferro é o principal constituinte de uma das ligas mais importantes na engenharia: o aço. Os aços são empregados nos mais variados componentes. Fica difícil imaginar um equipamento que não possua uma peça de aço em sua constituição.

O ferro é um metal alotrópico, isto é, ele apresenta mais de uma estrutura cristalina de acordo com a temperatura. Quando solidifica, a 1538 °C, passa a apresentar uma estrutura cúbica de corpo centrado, a fase (δ - delta). Continuando o resfriamento, ocorre uma mudança de fase na temperatura de 1394 °C, com os átomos de ferro sofrendo um rearranjo para uma estrutura cúbica de faces centradas, a fase (γ - gama). Na temperatura de 912 °C ocorre um novo rearranjo cristalino e o ferro volta a apresentar uma estrutura cúbica de corpo centrado, a fase (α - alfa). Abaixo da temperatura de 768 °C (ponto Curie) o ferro passa a apresentar um comportamento magnético, sem no entanto apresentar qualquer mudança na estrutura cristalina.

Figura 01- Diagrama de Equilíbrio Binário Fé-C.

Todas estas transformações alotrópicas ocorrem com liberação de calor no resfriamento (reações exotérmicas) e com absorção de calor no aquecimento (reações endotérmicas). Evidentemente a quantidade de energia envolvida é bem inferior àquela envolvida na transformação de estado (calor latente de solidificação, por exemplo). Já a existência destas transformações, conforme será visto mais adiante, faz com que os aços apresentem-se como uma classe de materiais extremamente versáteis atendendo a um grande espectro de propriedades mecânicas.

2 TRATAMENTOS TÉRMICOS

2.1 Objetivos Gerais

Os tratamentos térmicos são um conjunto de operações que têm por objetivo modificar as propriedades dos aços e de outros materiais através de um conjunto de operações que incluem o aquecimento e o resfriamento em condições controladas. Desta maneira conseguimos obter uma variada gama de propriedades que permitem que tenhamos materiais mais adequados para cada aplicação, sem que com isto os custos sejam muito aumentados. Como o aço é o material mais comumente utilizado em engenharia todo o enfoque dado aqui residirá sobre este tipo de material, embora os tratamentos térmicos aqui descritos possam ser aplicados a outros tipos.

2.2 Tipos Comuns

Os tipos mais comuns de tratamentos térmicos são: a. Esferoidização b. Recozimento c. Normalização d. Têmpera + Revenido

Abaixo daremos uma breve idéia do que é cada um destes tratamentos que serão tratados em maiores detalhes adiante.

Esferoidização

Consiste em um tratamento que visa globulizar a cementita fazendo com que tenhamos uma microestrutura formada de um fundo de ferrita com cementita esferoidal, donde temos a origem do nome. Este tratamento também é chamado de coalescimento pelo fato de que durante o processo a cementita se aglutina em partículas de forma esferoidal.

Recozimento

O recozimento é um tratamento térmico em que o resfriamento, a partir do campo austenítico, deve ser feito de maneira bastante lenta para que tenhamos a formação de uma microestrutura de perlita grosseira. Isto fará com que tenhamos um material de baixa dureza e baixa resistência.

Normalização

Se, ao invés de obtermos perlita grosseira obtivermos perlita fina no resfriamento teremos uma normalização. Isto pode ser conseguido aumentandose a velocidade de resfriamento comparada com a velocidade do recozimento. Embora esta seja a diferença mais imediata, devemos destacar que a normalização provoca uma transformação mais importante que é a diminuição tamanho do grão, algo que é extremamente benéfico para a tenacidade do material.

Têmpera e Revenido

Embora estes dois itens tenham que ser tratados separadamente pelas grandes diferenças que existem entre eles, os dois tratamentos sempre serão feitos em seqüência. Enquanto que a têmpera é um tratamento que visa a obtenção de uma microestrutura completamente martensítica, que por conseqüência será dura e frágil, o revenido será empregado para corrigir justamente a fragilidade resultante da têmpera. Como conseqüência, sempre que fizermos um tratamento de têmpera, será feito o tratamento de revenido.

2.3 Fatores de Influência

Sempre que fizermos um tratamento térmico, o seu sucesso ou fracasso será determinado por alguns fatores-chave que deverão ser muito bem observados. Um erro de avaliação de um deles fará com que tenhamos como resultado uma microestrutura diferente da prevista e por conseqüência um material com propriedades diferentes das desejadas.

2.3.1 Temperatura

Sempre que fazemos uma transformação partimos de uma microestrutura de maior energia para uma microestrutura de menor energia. No caso dos tratamentos térmicos a passagem de uma microestrutura para outra requer sempre um aquecimento para que se chegue a um nível de energia que permita a transformação. Por exemplo, para termos transformação de uma microestrutura composta por ferrita e perlita para martensita, devemos primeiramente austenitizar o material e após, fazendo um resfriamento rápido, obter martensita.

No caso dos tratamentos térmicos de recozimento, normalização e têmpera o aço deve ser levado obrigatoriamente até o campo austenítico e a partir dali feito o resfriamento adequado. Já no caso da esferoidização o material não precisa ser austenitizado, podendo ser aquecido até pouco abaixo da temperatura eutetóide. Deve ser observado também que as temperaturas de austenitização para recozimento e normalização correspondem à mesma faixa para aços hipoeutetóides, mas diferem para os aços hipereutetóides. Isto se deve ao fato de que como as velocidades de resfriamento para recozimento são mais lentas do que para normalização, se fizéssemos uma austenitização completa no recozimento iria se formar uma rede de cementita no contorno de grão durante o resfriamento lento que faria com que o aço ficasse frágil. Para o tratamento térmico de têmpera são usadas normalmente as temperaturas de normalização, embora para aços hipereutetóides exista alguma dependência do teor de elementos de liga.

A não ser que hajam fatores associados ao teor de elementos de liga, as temperaturas de austenitização não devem se situar em valores superiores a 50o C acima da temperatura mínima de austenitização apontada pelas linhas de solubilidade, pois neste caso poderemos ter crescimento do grão o que é prejudicial para a tenacidade do material.

2.3.2 Tempo de Permanência

Quando levamos um aço até o campo austenítico, as transformações não ocorrem instantaneamente. A transformação leva um certo tempo para ocorrer e depende do tipo de transformação que irá ocorrer. Assim, a transformação de perlita ou esferoidita para austenita se dá mais rapidamente que a dissolução de carbonetos para austenita. Desta forma o tempo em que o aço deverá permanecer nas temperatura de austenitização dependerá da composição do aço.

2.3.3 Velocidade de Resfriamento

Talvez o fator mais crítico para o sucesso de um tratamento térmico seja o resfriamento da peça após a austenitizacão. Um erro na avaliação da velocidade correta de resfriamento poderá conduzir a uma estrutura completamente diferente da pretendida o que fará com que o material fique com propriedades completamente diferentes das planejadas. Um caso comum de erro ocorre na normalização de aços ligados de alta temperabilidade. Como será visto mais adiante, o diagrama isotérmico nos mostra que os tempos de transformação são grandes para estes aços. Nas velocidades normais de resfriamento usadas na normalização, onde as peças são resfriadas ao ar, podemos ter transformação não em perlita fina apenas, mas também em bainita até mesmo martensita, o que conduziria a durezas muito maiores do que as esperadas. Neste caso a solução seria fazer um resfriamento mais lento do que o normal. No caso do processo de têmpera em que o objetivo é de se obter uma microestrutura totalmente martensítica para que se tenha a máxima dureza, a situação se inverte. Como a velocidade de resfriamento não é só dependente do meio de resfriamento mas também da temperabilidade e do tamanho das peças, em muitos casos os meios usuais de resfriamento podem não ser adequados. Poderemos ter a formação de outros produtos na microestrutura, tais como perlita ou bainita que diminuirão a dureza. Nestes casos deveremos aumentar a velocidade de resfriamento ou até mesmo utilizar um aço com maior temperabilidade para resolver o problema.

Outro problema associado ao tratamento de têmpera é o surgimento de trincas e empenamentos devido à velocidade de resfriamento. Quanto mais complicada for a forma da peça maior a tendência ao aparecimento de trincas. A solução deste tipo de problema está sempre na diminuição da velocidade de resfriamento pela utilização de meios que produzam uma menor retirada de calor da peça. Os problemas relativos ao resfriamento serão tratados em maiores detalhes mais adiante quando forem abordados os tratamentos térmicos.

2.3.4 Proteção das Peças

Se um aço for aquecido até temperatura acima de 600 C em uma atmosfera rica em oxigênio, como, por exemplo, o ar ambiente, ocorrerá na superfície da peça um fenômeno chamado de descarbonetação. A descarbonetação nada mais é do que a combinação do carbono do aço com o oxigênio livre do ambiente. Este processo conduz à perda de carbono do aço a partir da sua superfície, fazendo com que a peça fique com uma camada com teor reduzido em carbono. A espessura desta camada dependerá do tempo e da temperatura em que a peça ficará exposta a estas condições. Obviamente esta é uma situação normalmente indesejável, pois a diminuição do teor de carbono conduzirá a uma diminuição na dureza. Este fato se torna mais grave quando realizamos um tratamento térmico de têmpera, pois uma diminuição no teor de carbono provoca uma queda sensível na dureza, já que a dureza da martensita depende do teor de carbono. Assim sendo, as peças submetidas a tratamentos térmicos deverão ser protegidas por uma atmosfera neutra que impeça a descarbonetação. Isto pode ser conseguido utilizando-se fornos que produzam este tipo de atmosfera ou, caso isto não seja possível, deve-se envolver as peças em uma substancia rica em carbono como cavacos de ferro fundido ou carvão.

2.4 Esferoidização

O processo de esferoidizaçao ou de coalescimento é utilizado para aços com teores superiores a 0,5% de carbono, mas principalmente para aços hipereutetóides. Quando se deseja fazer uma processo de usinagem ou de conformação de uma peça, o recozimento poderá não baixar a dureza o suficiente para que a tarefa seja executada. Este problema acontece principalmente em aços com elevados teores de elementos de liga e elevado teor de carbono. Para este tipo de aço uma estrutura formada por perlita e cementita apresentará uma dureza muito alta e a única alternativa será o processo de esferoidização.

O tratamento térmico de esferoidização pode ser feito de duas maneiras:

- Aquecendo-se o aço até uma temperatura logo abaixo da temperatura eutetóide, permanecendo-se nesta temperatura por um tempo que varia de oito a vinte horas, com resfriamento posterior ao ar.

- Austenitizar o material, fazer um resfriamento até uma temperatura logo abaixo da temperatura eutetóide, mantendo-se nesta temperatura por um tempo entre oito e vinte horas e resfriamento ao ar. Este tratamento também pode ser efetuado variando-se ciclicamente entre temperaturas acima e abaixo da temperatura de austenitização.

A segunda forma de execução deste tratamento é a que propicia tempos menores de tratamento e pode ser facilmente entendida pela observação.

A microestutura resultante deste tratamento é a esferoidita, isto é, um fundo de ferrita com a cementita e os carbonetos dos elementos de liga em forma esferoidal dispersos nesta matriz.O fato de termos a cementita distribuída na matriz de ferrita faz com que o aço apresente uma ótima ductilidade e baixa resistência devido à predominância das propriedades da ferrita neste caso.

2.5 Recozimento

O processo de recozimento é aplicável a aços que possuem baixo ou médio teor de carbono, isto é, para aços que possuam até 0,5% de carbono ou para teores mais elevados desde que não possuam elementos de liga. O objetivo deste tratamento é o de conferir uma dureza baixa, resistência mecânica baixa e uma ductilidade alta. É aplicável a peças em que se deseja fazer usinagem ou conformação mecânica. Basicamente este processo consiste no aquecimento do material até a temperatura de austenitização seguindo-se um resfriamento lento até a temperatura ambiente. Geralmente basta que a peça seja deixada no forno desligado, produzindo-se um resfriamento lento. Esta forma de resfriamento é aplicável para aços de baixa e média temperabilidade. neste caso o recozimento será dito recozimento convencional ou recozimento pleno.

Para os aços que possuem temperabilidade mais alta muitas vezes pode ser necessário diminuir muito a velocidade de resfriamento para que a dureza seja suficiente baixa. Nestes casos será necessário proceder à transformação a uma temperatura constante ou quase constante. Este procedimento dá origem ao que se convenciona chamar de recozimento isotérmico. A diferença deste processo para o de esferoidização é que as temperaturas são mais baixas fazendo com que os tempos sejam menores. De qualquer modo este tratamento conduz a tempos maiores do que os do recozimento convencional e este fator deve ser considerado quando o realizarmos.

Como já foi citado anteriormente o recozimento visa a obtenção de perlita grosseira por ser esta a estrutura que propicia as propriedades desejadas.

2.6 Normalização

O processo de normalização produz propriedades semelhantes às obtidas no recozimento e em virtude disto muitas vezes os dois podem ser usados alternativamente para obter baixa dureza, boa ductilidade e para eliminar estruturas provenientes de tratamentos anteriores, como é o caso de tratamentos prévios de têmpera e em peças fundidas ou forjadas. Ocorre, porém, que a normalização é feita geralmente com resfriamento das peças ao ar. Isto conduz a uma velocidade de resfriamento mais alta do que aquela do recozimento, dando como resultado uma estrutura formada por perlita mais fina. Em conseqüência, a ductilidade será menor do que no material recozido, sua dureza e resistência mecânica serão maiores. Por outro lado, devido à maior velocidade de resfriamento teremos um refino do grão do aço, pois a velocidade de nucleação da ferrita e da perlita será maior na medida em que tivermos temperaturas de transformação mais baixas, conforme será visto em capítulo posterior. Outra vantagem da normalização reside no fato de que se pode utilizar temperaturas mais altas de austenitização, permitindo uma maior dissolução dos carbonetos dos elementos de liga e, no caso de aços hipereuteóides, não teremos a formação da rede de cementita em contorno de grão, como acontece no recozimento.

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