TÊMPERA SUPERFICIAL POR INDUÇÃO E POR CHAMA - ASPECTOS PRÁTICOS -

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1 TÊMPERA SUPERFICIAL POR INDUÇÃO E POR CHAMA - ASPECTOS PRÁTICOS - Através da têmpera por indução e por chama consegue-se um efeito similar ao do tratamento de cementação e têmpera, quando se compara a dureza, resistência ao desgaste e condições de tensões residuais. Entretanto pode-se restringir o tratamento a áreas específicas das peças, as distorções são consideravelmente menores e é possível tratar peças de grande porte. O objetivo principal da têmpera superficial é o aumento da resistência à fadiga. Para isto pode-se utilizar três métodos distintos: têmpera progressiva, rotativa e estacionaria. A dureza superficial e a profundidade de têmpera são funções do material utilizado e de sua respectiva temperabilidade. Para que as distorções sejam minimizadas deve-se tomar alguns cuidados com o projeto e com o tratamento térmico preliminar das peças.

2 I - INTRODUÇÃO Na têmpera superficial a camada externa de um componente, feito de um aço temperável, é austenitizada e imediatamente resfriada, e conseqüentemente temperada. Através deste tratamento térmico consegue-se um efeito similar ao do tratamento de cementação e têmpera, quando se compara a dureza, resistência ao desgaste e condições de tensões residuais. Entretanto pode-se restringir o tratamento a áreas especificadas das peças, as distorções são consideravelmente menores e é possível tratar peças de grande porte. Os processos de têmpera superficial diferem em função das fontes de energia utilizadas. Os processos mais usuais e que serão comentados neste trabalho são a têmpera por indução e chama. Na têmpera por indução, a energia necessária é fornecida na forma elétrica. Um conversor fornece corrente alternada de alta freqüência para uma bobina (indutor) que induz uma corrente parasita na superfície da peça aquecendo-a rapidamente. A temperatura depende da potência disponível e do tempo de aquecimento. A profundidade de austenitização é basicamente determinada pela freqüência utilizada. A têmpera por chama utiliza o calor radiante resultante da combustão de um gás (ex. propano, butano, gás natural, etc.) com oxigênio para aquecimento da superfície da peça. A condutividade térmica do aço não é suficiente para que a grande quantidade de energia fornecida seja conduzida para o centro do componente. Deste modo a temperatura superficial aumenta rapidamente, com pequeno aumento da temperatura do núcleo. II - MÉTODOS DE TÊMPERA SUPERFICIAL A têmpera por indução e chama pode ser dividida em três métodos (Figura 1): Têmpera progressiva Têmpera rotativa Têmpera estacionaria No método de têmpera progressiva a fonte de energia (indutor ou queimador) é 1

3 acoplada à ducha de resfriamento e ambas são guiadas longitudinalmente sobre a superfície da peça. Com isto somente uma zona estreita é progressivamente aquecida e imediatamente resfriada. Como este processo depende do perfil da peça o indutor ou queimador deve ser construído de forma precisa para se obter os melhores resultados possíveis com a têmpera. Na têmpera rotativa a peça gira entre o indutor ou queimadores até que se atinja a temperatura de têmpera na profundidade desejada. O resfriamento ocorre numa segunda operação através da imersão da peça num tanque de resfriamento. III - TÊMPERA DENTE A DENTE DO FLANCO Através deste método, somente a resistência à fadiga no flanco do dente é aumentada diminuindo assim a formação de pittings. Em baixas rotações o desgaste por abrasão, que é função da dureza, é substancialmente reduzido, enquanto que em altas rotações a tendência a escarvar é eliminada. Como este método aumenta somente a resistência à compressão do flanco do dente, as engrenagens devem ser projetadas de modo que a resistência à fadiga da raiz do dente seja garantida pela resistência do material e pela seção da raiz do dente. A resistência à fadiga do flanco do dente por tensões alternadas, é função da dureza superficial e, até certo nível, da profundidade de têmpera. Para engrenagens somente normalizadas, com durezas entre 120 a 320 HB, a resistência à fadiga superficial é de 300 a 750 N/mm2, enquanto que para flancos temperados com durezas entre 630 a 680 HV a resistência aumenta para 1200 a 1350 N/mm2 (1). Com intuito de se evitar o spalling e o pitting, deve-se alcançar uma certa profundidade de têmpera no flanco do dente, que é recomendada pela literatura como sendo igual a 0,3 x módulo. Se este valor pode ou não ser alcançado, depende muito do perfil, do material, e principalmente do módulo. A têmpera dente a dente do flanco pode ser executada por indução a partir do módulo 5 e por chama a partir do módulo 7. IV - TÊMPERA DENTE A DENTE DO FLANCO E RAIZ Com este método não somente os dois flancos dos dentes opostos são temperados, 2

4 mas também a raiz do dente. Em função das tensões residuais resultantes, a resistência à fadiga na raiz do dente por esforços de flexão é aumentada. Esta aumenta proporcionalmente à dureza superficial, porém somente até durezas de aproximadamente 50 a 55 HRC. Nesta dureza a resistência à fadiga é em torno de 650 N/mm2 para um aço SAE Com especial atenção para a pureza do material e tratamento térmico pode-se atingir valores de resistência à fadiga por flexão de aproximadamente 800 N/mm2 para ações mais ligados. A figura 2 mostra a profundidade de dureza no flanco e na raiz do dente de uma engrenagem e de um pinhão de módulo 15 temperados. Com intuito de se obter o melhor resultado possível com a têmpera do flanco e da raiz, deve-se, inicialmente tratar com corpo de prova para verificar o indutor ou queimador e para determinar se a profundidade de têmpera requerida na raiz foi alcançada, e principalmente, se a profundidade de têmpera é suficiente na zona de transição entre o flanco e a raiz do dente. Se não for o caso, pode ocorrer neste ponto um efeito de entalhe e pequenas trincas superficiais, resultantes podem produzir trincas mais profundas. Este método pode ser utilizado por indução a partir do módulo 7 e por chama a partir do módulo 16. V - TÊMPERA ROTATIVA A têmpera rotativa é um método utilizado para aumentar a resistência à fadiga tanto do flanco como da raiz do dente, através da têmpera total do dente até uma profundidade de aproximadamente 2 a 5 mm abaixo da raiz. A resistência à fadiga da raiz do dente é igual a da têmpera dente a dente do flanco e raiz. A têmpera rotativa por chama pode ser considerada um método seguro e flexível. Engrenagens de módulo 1 até módulo 20, diâmetro até 2000 mm e altura até 400 mm podem ser temperadas. Já a têmpera rotativa por indução das engrenagens está limitada a pequenos diâmetros de até 350 mm em função da limitação da potência do conversor. VI - MATERIAIS ADEQUADOS E DUREZA SUPERFICIAL Os materiais utilizados para as peças a serem temperadas por chama e indução são idênticos e estão listados na tabela 1. 3

5 A máxima dureza superficial atingível depende basicamente da quantidade de carbono que é solubilizada na temperatura de têmpera. Uma quantidade de carbono de 0,3%, a dureza atingida é de aproximadamente 50 HRC e para 0,5% a dureza de 60 HRC. Como não ocorre um efeito de cementação durante a têmpera por chama e indução, o material deve ter o carbono necessário para a requerida dureza antes do tratamento. Quando se utiliza materiais para cementação, estes devem ser cementados antes, obrigatoriamente. Durante o resfriamento a velocidade crítica de resfriamento deve ser alcançada para que a austenita seja transformada totalmente em martensita. No caso de materiais não ligados, o resfriamento deve ser feito quase sempre em água. VII - PROFUNDIDADE DE TÊMPERA A profundidade de têmpera atingível depende basicamente de dois fatores da profundidade de aquecimento e da temperabilidade do material. Na têmpera por indução a profundidade de aquecimento é função da freqüência e da potência utilizadas. Fatores importantes também são o tempo de austenitização e a densidade de potência em KW/cm2. No caso da têmpera por chama, a profundidade de aquecimento é influenciada pelo tempo de austenitização, a distância entre os queimadores e a peça e a quantidade de energia fornecida. Com intuito de obter a profundidade de têmpera requerida o material deve possuir também a temperabilidade necessária, que não depende somente da composição química, mas também de sua estrutura original. Esta estrutura deve ser homogênea resultante de recozimento, normalização ou beneficiamento. No geral pode-se dizer que com materiais não ligados, a máxima profundidade de têmpera é de 2 a 4 mm, logo, quando se necessita maiores profundidades, deve-se usar materiais ligados. Elemento de liga prof. Têmpera atingível 1,5 manganês 3 a 6 mm Cromo-molibdênio 4 a 12 mm Cromo-níquel-molibdênio 4 a 20 mm 4

6 VIII - ASPECTOS PRÁTICOS - Distorções Distorções sempre ocorrerão em qualquer tratamento térmico divido às tensões térmicas de aquecimento e de resfriamento, e divido as variações volumétricas do material em função da transformação da estrutura. A magnitude das distorções é importante, pois influencia diretamente nos custos de retífica final. Na têmpera superficial consegue-se valores menores de distorções, devido as menores tensões térmicas e ao suporte dado pelo núcleo rígido e não aquecido. Além das tensões residuais, as distorções dependem também da dimensão e geometria da peça a ser temperada: engrenagens com forma de disco apresentam distorções menores; engrenagens na forma de anel e engrenagens com nervuras, poderão apresentar os dentes côncavos, convexos ou cônicos, após o tratamento térmico dependendo do seu arranjo construtivo. A experiência mostra que as engrenagens fabricadas a partir de anéis devem apresentar as seguintes espessuras mínimas (abaixo da raiz do dente), para que as distorções sejam minimizadas: métodos espessura mínima têmpera do flanco 1 x altura do dente têmpera do flanco e raiz 1,5 x altura do dente têmpera rotativa 2 a 3 x altura do dente - Tratamentos preliminares recomendados Deve-se executar sempre que possível um recozimento para alívio de tensões nas peças antes de serem temperadas, para se remover as tensões internas, que de outro modo, seriam aliviadas durante o processo de têmpera podendo gerar distorções. Recomenda-se o seguinte procedimento na fabricação de uma engrenagem, a ser temperada superficialmente, com intuito de minimizar as distorções: Normalização o material ou beneficiar para a dureza de núcleo especificada. Desbastar o corpo e região a ser temperada superficialmente Aliviar tensões 5

7 Acabar região a ser temperada Temperar Retificar - Fatores produtivos/econômicos Não existe uma regra geral que determine, sob ponto de vista produtivo/ econômico, qual dos processos é mais recomendado. A seleção do processo e do método empregado deve ser analisada caso a caso, devendo ser levado em consideração as especificações técnicas, a geometria/ dimensões da peça, a localização da têmpera e capacidade do equipamentos disponíveis. IX - CONCLUSÃO O objetivo principal da têmpera por indução e por chama é aumentar a resistência ao desgaste e a resistência à fadiga do componente. A têmpera superficial é tão mais vantajosa quanto menor a área a ser temperada proporcionalmente a área total do componente. Quando se compara com outros processos de tratamento térmico como têmpera total, cementação e nitretação, que são processos especialmente adequados para produção em massa, a têmpera superficial apresenta as principais vantagens: Pode-se restringir a área temperada a quase todas as partes do componente. Comparando com a cementação, consegue-se maiores profundidades de têmpera e as tensões térmicas são menores, o que tem efeito positivona distorção. Áreas localizadas fora da zona temperada podem ser acabadas após o processo de têmpera, sem custos adicionais. Pode-se temperar peças de grande porte, sem necessidade de grandes fornos ou instalações. 6

8 BIBLIOGRAFIA - Brunke, H; Ommerborn, K Surface hardening of gears inductively and by flame Paul Ferd. Peddinghaus Alemanha. - Benkowsky, G Induktionserwarmung, 5ª edição, Verlag Technik Gmbh, Berlin, Metals Hardbook Volume 4 9ª edição pags 451 a

9 TABELA 1 - Materiais para têmpera superficial por indução e chama Material Dureza (HRC) Profundidade de têmpera máxima (mm) Aço Carbono , , ,0 Aço Ligado , , , , , ,0 Aço Inoxidável ,0 Ferro Fundido cinzento perlítico ,0 maleável ,0 nodular ,0 8

10 Figura 1 - Métodos de têmpera superficial de engrenagens Figura 2 - Profundidade de têmpera em uma engrenagem e um pinhão módulo 15. Temperados Dente a Dente CEP: Tel.: (31)

11 dureza (HRC) ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 porcentagem de carbono (%) Figura 3 - Dureza superficial em função da quantidade de carbono do material CEP: Tel.: (31)