Introdução aos tratamentos térmicos

Introdução aos tratamentos térmicos

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Normalmente não se tem maiores problemas em adotar o resfriamento ao ar para o processo de normalização, entretanto, para aços com alta temperabilidade esta velocidade pode ser excessiva, dependendo do tamanho da peça, de tal sorte que tenhamos a formação de bainita e até mesmo martensita. Nesta situação deve ser feito um tratamento a uma velocidade mais baixa de resfriamento ou um tratamento isotérmico.

2.7 Têmpera

Dentre os tratamento térmicos comuns, o tratamento térmico de têmpera é o mais importante devido ao fato de que através dele podemos ter um grande aumento da resistência mecânica e da dureza do aço e de outros materiais. Este é o aspecto mais importante, porém, em contrapartida teremos uma queda muito grande da ductilidade e principalmente da tenacidade. Este inconveniente será depois corrigido através do processo de revenido que será abordado mais adiante.

Se por um lado o tratamento de têmpera nos dá condições de produzirmos um grande aumento na resistência mecânica e na dureza, a um custo relativamente baixo, por outro existe uma maior complexidade na sua execução. Isto se deve à grande variação na composição dos aços e, por conseqüência, na sua temperabilidade. O carbono e os elementos de liga exercem um papel preponderante com relação a este tratamento, já que tanto influem na temperatura de austenitização quanto na velocidade de resfriamento. Assim, a temperatura de austenitização varia de aço para aço, como conseqüência da variação no teor de carbono e dos elementos de liga, pois os carbonetos formados devem ser dissolvidos pelo menos em parte para que tenhamos o efeito desejado na temperabilidade. Não basta portanto austenitizarmos o aço para termos sucesso no tratamento, mas é preciso que tenhamos também parte dos elementos de liga dissolvidos na austenita.

curvas, sendo uma relativa à superfície da peça e a outra relativa ao centro

Além da temperatura de austenitização, outro fator importante é a velocidade de resfriamento. Esta deve ser tal que impeça a formação de qualquer outro produto que não seja a martensita. É obvio que isto nem sempre é possível pois outros fatores devem ser considerados mas, de qualquer forma, este é o objetivo que deve ser perseguido neste tratamento. Como existe variação na temperabilidade com a variação do teor de carbono e dos elementos de liga, também a velocidade de resfriamento varia. Ela deve ser a menor possível para que tenhamos o menor empenamento possível das peças mas, não deve ser tão lenta que impeça a formação de martensita. Podemos notar que existem duas

O problema do resfriamento é um dos problemas mais complexos no caso deste processo. Se por um lado, quanto mais rápido for o resfriamento maiores serão as chances de obtermos martensita, por outro maiores serão também as chances de termos trincas e empenamentos na peça. Além disso, um resfriamento não homogêneo ao longo da superfície da peça pode também causar empenamento e variações na dureza. Como existe uma variação no volume da peça durante o aquecimento e o resfriamento e também devido à transformação da estrutura em martensita, quanto maior a diferença entre as velocidades de resfriamento na superfície e no centro ou em diferentes pontos da superfície maior será o empenamento e a possibilidade de aparecimento de trincas. Note-se que a velocidade de resfriamento inicialmente é baixa, tornando-se alta apenas para valores intermediários de temperatura da peça. Inicialmente temos um estágio em que se forma um envelope de vapor em volta da peça que impede a troca de calor da peça com o líquido, fazendo com que a velocidade seja baixa. Em um segundo estágio existe a formação de bolhas que entram em colapso rapidamente, permitindo que o fluido entre em contato com a peça e produzindo uma agitação bastante grande do fluido, o que faz com que a velocidade de resfriamento cresça rapidamente. Por fim em um terceiro estágio, a temperatura da peça não é mais suficiente para que haja a formação de bolhas e o resfriamento se dá apenas por convecção, fazendo com que a velocidade de resfriamento caia novamente.

centraisO que acontece é um decréscimo na dureza em direção ao centro da

Outro fato que ocorre freqüentemente em peças de formato complicado, como é o caso de uma engrenagem, de um eixo com rasgo de chaveta e de outras peças com variações no relevo, pode ocorrer a variação nas condições de resfriamento na superfície. Estas condições irão fazer com que a velocidade de resfriamento seja diferente em cada ponto, conduzindo também ao aparecimento de trincas, empenamentos ou mesmo pontos moles. Outro problema que pode ocorrer, este mais freqüente e mais simples é aquele em que temos pequenas diferenças de velocidade de resfriamento entre a superfície e o centro. Neste caso o que pode acontecer é a formação de 100% de martensita na periferia da peça e um teor menor de martensita juntamente com bainita e/ou perlita nas regiões mais peça, situação esta que nem sempre pode ser evitada. Esta situação pode ser induzida pelo meio de resfriamento ou pelo tamanho da peça.

De acordo com o que foi acima exposto o meio de resfriamento mais adequado é aquele que permite obtermos a maior quantidade possível de martensita na peça. Assim sendo poderemos ter que resfriar a peça em salmoura, em água ou mesmo em óleo e outros produtos sintéticos, estes últimos para aços de construção mecânica ligados. Para aços de alta temperabilidade como aços para matrizes e ferramentas pode-se utilizar até mesmo o resfriamento ao ar em alguns casos. Quanto maior a temperabilidade menos drástico terá que ser o meio de resfriamento utilizado.

Outro problema associado com o resfriamento para a obtenção de martensita é a variação de volume. Sempre que temos transformação martensítica teremos uma variação de volume e esta terá efeitos mais importantes quanto maior for a diferença de temperaturas de um ponto para outro.

A diferença de volume entre a estrutura original e a estrutura final martensítica pode conduzir a empenamentos e até mesmo a trincas se as tensões surgidas como conseqüência da variação de volume ultrapassarem o limite de ruptura do material. Quando temos diferenças de velocidade de resfriamento da periferia para o centro, por exemplo, forma-se uma capa de martensita que é dura e frágil e que ao aumentar de volume comprime o núcleo. Quando o núcleo por sua vez se transforma, este expande e provoca o aparecimento de tensões sobre a capa externa endurecida, podendo produzir trincas na peça.

2.8 Revenido

Um dos grandes problemas relacionados com o tratamento térmico de têmpera está relacionado com a baixa ductilidade e a baixa tenacidade do material após o tratamento. Embora tenhamos um significativo ganho na resistência mecânica e na dureza, fatores primordiais quando se quer reduzir o peso da peça ou evitar o desgaste superficial, a ductilidade cai quase a zero. Como a utilização de um aço nestas condições é impossível devido aos riscos de uma falha catastrófica, este problema tem que ser corrigido, o que é conseguido através do tratamento térmico de revenido.

O revenido é um tratamento em que se faz o reaquecimento da peça temperada dentro de uma faixa de temperatura entre 150o C e 600o C geralmente. As peças são aquecidas e permanecem durante um intervalo de tempo suficiente para que ocorram as transformações necessárias à recuperação de parte da ductilidade e tenacidade perdidas, sendo após resfriadas até a temperatura ambiente. Como consequência teremos uma perda na resistência mecânica e na dureza. Quanto mais alta for a temperatura de revenido utilizada ou quanto maior for o tempo de tratamento, maior será o ganho em ductilidade e tenacidade e maior será a perda de resistência e de dureza.

Durante o revenido ocorrem transformações da martensita que são dependentes da temperatura e que irão influir nas propriedades finais do aço. De acordo com a faixa de temperatura temos transformações diferentes que conduzem ao que se costuma chamar de estágios ou etapas do revenido. No primeiro estágio, que vai até aproximadamente 200o C, o carbono contido na martensita se precipita formando um carboneto chamado épsilon, que não tem a composição da cementita. Em consequência temos uma redução no teor de carbono da martensita, obtendo-se como resultado uma estrutura bifásica composta de carbonetos e martensita de baixo carbono. As transformações nas propriedades não são muito significativas, observando-se apenas pequena redução na dureza e na resistência e um pequeno aumento na ductilidade e na tenacidade.

Em um segundo estágio, entre 200 e 400o C, ocorre a precipitação de cementita no contorno das agulhas de martensita. Em decorrência disso teremos uma continuação da queda na dureza e resistência, porém a tenacidade não é aumentada, pelo contrário, diminui. Isto é o que se chama fragilidade de revenido. A queda na tenacidade se inicia próximo dos 200o C para a maioria dos aços e chega a um mínimo em torno de 350o C, quando então volta a crescer. Nesta faixa, portanto, não é conveniente que se faça o revenido porque, embora tenhamos redução na dureza e na resistência, não teremos em contrapartida um aumento de tenacidade.

E uma terceira etapa, que se inicia em torno de 400o C, teremos o aparecimento de um precipitado esferioidal de cementita que irá fazer com que a tenacidade e a ductilidade voltem a crescer, e portanto estaremos novamente em uma faixa de temperatura em que temos benefício com o revenido. Este gráfico mostra a variação da dureza para vários aços, note-se que a queda da dureza é mais acentuada quanto maior for o teor de carbono.

2.9 Martêmpera

O processo de martêmpera ou têmpera interrompida é um processo utilizado em substituição à têmpera quando se deseja diminuir o risco de trincas, empenamentos e tensões residuais excessivas. O tratamento consiste basicamente em se retardar o resfriamento logo acima da temperatura de transformação martensítica, permitindo a equalização da temperatura ao longo de toda a peça, completando-se após o resfriamento. A estrutura formada, a exemplo da têmpera, será martensítica, sendo portanto, dura e frágil.

Temos a representação deste tratamento sobre o diagrama T de um aço hipotético. Como pode ser visto este tratamento consiste no refriamento rápido, desde a temperatura austenítica, em um meio aquecido, que pode ser óleo aquecido, sal fundido ou leito fluidizado, até uma temperatura logo acima da temperatura de transformação martensítica. A peça é mantida nesta temperatura até que seja uniformizada a temperatura entre a periferia e o centro e então é resfriado, geralmente ao ar até a temperatura ambiente. Segue-se um revenido que é feito nos mesmos moldes do processo de têmpera convencional.

Uma modificação do processo consiste em se fazer o resfriamento até uma temperatura logo abaixo da temperatura de início da transformação matensítica, estabilizando-se a temperatura e fazendo após o resfriamento ao ar. Este caso é aplicável a aços de temperabilidade baixa nos quais, se fosse feita a martêmpera convencional, teríamos a formação de bainita antes que a temperatura estabilizasse.

O principal objetivo da martêmpera é reduzir a possibilidade de trincas e empenamentos oriundos da transformação martensítica em tempos diferentes ao longo da peça.

2.10 Austêmpera

O processo chamado de austêmpera, consiste basicamente no aquecimento das peças até a austenitização completa seguido de resfriamento rápido até uma temperatura acima da temperatura de transformação martensítica, numa faixa entre 200 e 400o C, mantendo-se a esta temperatura até que o material se transforme totalmente. A estrutura resultante neste caso será totalmente bainítica. Após a transformação o material pode ser resfriado até a temperatura ambiente. A velocidade de resfriamento deve ser tal que se impeça a transformação de qualquer quantidade de austenita em outro produto e o tempo de permanência no banho deve ser suficiente para que toda a austenita se transforme em bainita.

O meio de resfriamento mais utilizado é uma mistura de sais fundidos que pode ser composto por nitrito e nitrato de sódio e nitrato de potássio. Pode ser também adicionada uma pequena quantidade de água.

O tratamento de austêmpera é um tratamento térmico usualmente utilizado em substituição à têmpera quando se tem por objetivo melhorar as propriedades mecânicas do aço, principalmente a ductilidade e a tenacidade, diminuir a possibilidade de aparecimento de trincas e de empenamentos e ainda melhorar a resistência ao desgaste e a possibilidade de fragilização para determinadas faixas de temperatura. As diferenças fundamentais entre a austêmpera e a têmpera podem ser vistos na tabela , onde são comparadas as propriedades finais para diversos casos.

Tabela 1 - Propriedades mecânicas para um aço ABNT 1095

Tratamento Térmico Dureza - HRC Tenacidade – J Alonga-mento %

Temperado em

Martêmpera e

Como podemos ver a austêmpera propicia uma maior tenacidade e uma maior ductilidade do que a têmpera e a martêmpera para uma mesma dureza, além de diminuir o aparecimento de trincas e de empenamento nas peças.

Embora este tratamento permita propriedades melhores do que a têmpera ele não é corriqueiramente utilizado. Isto se deve ao fato de que não são muitos os aços em que podemos utilizar a austêmpera. A decisão de utilizar um tratamento ou outro vai depender da posição do joelho da curva T, da velocidade de resfriamento, do tempo necessário para a transformação e da temperatura de início de formação da martensita. Além disso, devido à baixa velocidade de resfriamento propiciada pelo sal fundido as peças não podem ter grande secção como acontece na têmpera. O seu custo é maior devido à utilização de mais equipamento e o tempo de transformação deve ser equivalente ao tempo gasto no revenido ou menor para que seja viável. Deste modo os aços que são utilizados no processo devem se enquadrar nos seguintes tipos:

- Aços ao carbono com 0,5 a 1,0% de carbono e com um mínimo de 0,6,% de Mn;

- Aços ao carbono com mais de 0,9% de carbono e pouco menos de 0,6 % de Mn;

- Aços carbono com menos de 0,5 % de carbono e com manganês entre 1,0 e 1,65 %;

- Alguns aços ligados com mais de 0,3% de carbono.

3 ENDURECIMENTO SUPERFICIAL - PROCESSOS TERMOQUÍMICOS

Os processos de endurecimento superficial são processos que visam a obtenção de peças de aço dotadas de uma fina camada superficial de elevada dureza, mantendo ao mesmo tempo um núcleo com dureza relativamente baixa. Como conseqüência teremos uma camada superficial com alta resistência ao desgaste, alta resistência a esforços de compressão e alta resistência à fadiga. Em contrapartida, pelo fato de termos um núcleo de dureza baixa, teremos uma peça com boa tenacidade.

Os processos de endurecimento superficial podem ser divididos em duas categorias distintas, aqueles que envolvem alteração da composição química da camada superficial (cementação e nitretação) e aqueles que envolvem o rápido aquecimento e a têmpera posterior desta mesma camada (têmpera por chama, têmpera por indução).

3.1 Cementação

O processo de endurecimento superficial de cementação é o processo mais utilizado atualmente e tem permanecido praticamente inalterado ao longo do tempo. Este processo é geralmente utilizado na produção de pistas e roletes de rolamento, engrenagens, buchas e juntas homocinéticas. O método consiste essencialmente no aquecimento da peça envolta em um meio rico em carbono, fazendo com que o carbono difunda para o interior aumentando o teor de carbono da camada superficial.

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