CAMPUS REGIONAL DE RESENDE ENGENHARIA DE PRODUÇ ÃO ÊNFASE EM PRODUÇ ÃO MECÂNICA

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1 UERJ CAMPUS REGIONAL DE RESENDE ENGENHARIA DE PRODUÇ ÃO ÊNFASE EM PRODUÇ ÃO MECÂNICA CAPÍTULO 6: TRATAMENTOS TÉRMICOS E TERMOQUÍMICOS DEPARTAMENTO DE MECÂNICA E ENERGIA MATERIAIS DE CONSTRUÇ ÃO MECÂNCA IV PROF. ALEXANDRE ALVARENGA PALMEIRA UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO Estrada Resende Riachuelo s/n. - Morada da Colina Resende RJ - CEP: Tel.: (24) ou e Fax: (24) Terça-feira, 26 de Abril de 2005

2 SUMÁRIO I- INTRODUÇÃO... 1 II- TRATAMENTO TÉRMICO DOS AÇ OS... 3 II.1 FATORES DE TRATAMENTO TÉRMICO... 4 II.2 POSSIBILIDADE DE TRATAMENTO TÉRMICO... 4 II.2.1 Ligas que podem ser tratadas... 5 II.3 RECOZIMENTO... 5 II.3.1 Tipos de Recozimento... 7 II.3.2 Recozimento Aplicados a Ferros Fundidos... 8 II.4 NORMALIZAÇÃO... 9 II.5 TÊMPERA II.5.1 Têmpera Superficial II.6 REVENIDO II.6.1 Prática do Revenido II.6.2 Têmpera e Revenido dos Ferros Fundidos II.7 COALESCIMENTO III- TRATAMENTOS ISOTÉRMICOS III.1 AUSTÊMPERA III.2 MARTÊMPERA IV- TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS IV.1 CEMENTAÇÃO IV.1.1 Fatores que Influenciam a Profundidade de Cementação IV.1.2 Aços para Cementação IV.1.3 Gases Promotores da Formação de Fe3C IV.1.4 Processo de Cementação IV.1.5 Tratamentos Térmicos da Cementação ii

3 IV.2 NITRETAÇÃO IV.2.1 Processo de Nitretação IV.3 CIANETAÇÃO IV.4 CARBO-NITRETAÇÃO IV.5 BORETAÇÃO V- PROCESSOS SELETIVOS DE ENDURECIMENTO (13) V.1 ENDURECIMENTO POR LASER (LASER BEAM HARDENING) V.2 ENDURECIMENTO POR FEIXE DE ELÉTRONS (ELECTRON BEAM HARDENING)29 iii

4 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 6-1: Ferreiro fabricando uma espada, em uma forja primitiva do Séc. XVII...1 Figura 6-2: Diagrama representativo do tratamento térmico de recozimento... 6 Figura 6-3: Diagrama representativo do tratamento térmico de normalização....9 Figura 6-4: Diagrama representativo do tratamento térmico de têmpera e revenido Figura 6-5: Diagrama representativo do tratamento térmico de têmpera e revenido Figura 6-6: Tratamento térmico de têmpera superficial por chama numa engrenagem Figura 6-7: Tratamento térmico de têmpera superficial por indução Figura 6-8: Diagrama representativo do tratamento isotérmico de austêmpera...20 Figura 6-9: Diagrama representativo do tratamento isotérmico de martêmpera Figura 6-10: Uso do laser em peça cilíndrica (esq.) e aplicação localizada (dir.) Figura 6-11: Uso do feixe mostrando equipamento ( esq.) e detalhe peça e fonte (dir.) iv

5 ÍNDICE DE TABELAS Tabela 6-1: Material X (Temperatura de Aquecimento e Meios de Resfriamento) v

6 I- INTRODUÇ ÃO Desde os primórdios do uso do ferro as forjas rústicas proliferaram para atender necessidades específicas, tanto na área militar, como na produção de espadas, lanças, facas,etc., até os engenhos no Brasil, necessitados de equipamentos mecânicos como caldeiras, moendas, etc.. Tais atividades tornaram o ferreiro um artesão de grande valor e importância, não só econômica mais também militar. Tal oficio era então passado de pai para filho, e sempre sobre a tutelaria do Estado. Com o passar dos séculos a fabricação das armas de combate, como a espada, a lanças, os machados, etc., deviam atender novas exigências, pois as armas pesadas e rudes utilizadas na Idade Média, já não mais eram eficientes na Idade Moderna. Com isso os ferreiros (Figura 6-1), começaram a desenvolver empiricamente novos processos que tornavam as armas de ferro cada vez mais duras, simplesmente aquecendo e resfriando bruscamente a espada durante sua fabricação. Eles criaram assim as bases do que seria chamado no futuro de Tratamento Térmico. Figura 6-1: Ferreiro fabricando uma espada, em uma forja primitiva do Séc. XVII. Sendo assim, os tratamentos térmicos consistem, essencialmente, em aquecer o material a uma certa temperatura e resfriá-lo depois em determinadas condições. Já nos tratamentos termoquímicos, procura-se apenas o endurecimento superficial, pela alteração 1

7 da composição química da camada superficial do material, até uma certa profundidade, ou seja, consiste na alteração da composição química da superfície pela difusão de elementos como carbono, nitrogênio e boro. Os aços, dentre as ligas ferrosas, são os materiais mais, comumente, submetidos a esses tratamentos. Os tratamentos térmicos, por alterarem a microestrutura do material, modificam conseqüentemente a sua dureza. A dureza, por sua vez, é a resistência oferecida pelo material à penetração, ao desgaste, ao trabalho e ao atrito. Pode ser medida por comparação dos materiais entre si. Na indústria mede-se a dureza pela penetração de uma esfera com dimensões e carga padronizadas (Dureza Brinell). Um importante aspecto da medição da dureza é sua relação com a resistência. A partir da dureza pode-se monitorar o efeito da história térmica na resistência da liga. Os diagramas TTT mostram uma tendência de comportamento. Para um dado aço, a dureza aumenta com o aumento da velocidade de resfriamento. Cabe ressaltar que, a capacidade de um aço de ser endurecido por resfriamento é denominada endurecibilidade ou temperabilidade. 2

8 II- TRATAMENTO TÉRMICO DOS AÇ OS Com os princípios dos diagramas TTT pode-se ilustrar os princípios básicos do tratamento térmico dos aços. O campo de estudo é muito amplo, mas aqui abordaremos os fundamentos, selecionando uma composição eutetoide. Como o Tratamento Térmico é um ciclo de aquecimento e resfriamento realizado nos metais com o objetivo de alterar as suas propriedades físicas e mecânicas, sem mudar a forma do produto. O tratamento térmico às vezes acontece inadvertidamente, como efeito colateral de um processo de fabricação que cause aquecimento ou resfriamento no metal, como nos casos de soldagem e de forjamento. O tratamento térmico é normalmente associado com o aumento da resistência do material, mas também pode ser usado para melhorar a usinabilidade, a conformabilidade e restaurar a ductilidade depois de uma operação a frio. Logo, o tratamento térmico é uma operação que pode auxiliar outros processos de manufatura e/ou melhorar o desempenho de produtos, aumentando sua resistência ou alterando outras características desejáveis. Os aços são especialmente adequados para o tratamento térmico, uma vez que: respondem satisfatoriamente aos tratamentos, em termos das características desejadas; seu uso comercial supera o de todos os demais materiais. Sendo assim os aços são tratados para obter uma das seguintes finalidades: amolecimento, endurecimento e modificação das propriedades do material. AMOLECIMENTO (SOFTENING) O amolecimento é feito para redução da dureza, remoção de tensões residuais, melhoria da tenacidade, restauração da ductilidade, redução do tamanho do grão ou alteração das propriedades eletromagnéticas do aço. Restaurar a ductilidade ou remover as tensões residuais é uma operação necessária quando uma grande quantidade de trabalho a frio tenha sido executada (como laminação a frio ou trefilação). As principais formas de amolecimento do aço são: recozimento de recristalização, recozimento pleno, recozimento de esferoidização e normalização. 3

9 ENDURECIMENTO (HARDENING) O endurecimento dos aços é feito para aumentar a resistência mecânica, a resistência ao desgaste e a resistência à fadiga. O endurecimento é fortemente dependente do teor de carbono do aço. A presença de elementos de liga possibilita o endurecimento de peças de grandes dimensões, o que não seria possível quando do uso de aços comuns ao carbono. Os tratamentos de endurecimento são: têmpera, austêmpera, e martêmpera. Para aumentar a resistência ao desgaste é suficiente a realização de um endurecimento superficial (que também leva ao aumento da resistência a fadiga). Pode-se assim proceder a uma têmpera superficial ou a um tratamento termo-químico. MODIFICAÇ ÃO DAS PROPRIEDADES DO MATERIAL O tratamento térmico, a rigor, é usado para modificar as propriedades dos materiais. Estes processos modificam o comportamento dos aços de um modo benéfico, de forma a maximizar a vida útil das partes (e.g. alívio de tensões), ou as propriedades de resistência (e.g. tratamento criogênico), ou alguma outra propriedade desejada (e.g. envelhecimento). II.1 FATORES DE TRATAMENTO TÉRMICO Os principais fatores que influem nos tratamentos térmicos são: Temperatura de aquecimento da peça; Tempo em que a peça permanece na temperatura; Atmosfera de aquecimento Velocidade e condições de resfriamento. II.2 POSSIBILIDADE DE TRATAMENTO TÉRMICO A possibilidade de se realizar um Tratamento Térmico em uma liga dar-se-á os seguintes fatores: Recristalização; Modificação de fase. 4

10 RECRISTALIZAÇ ÃO: Ocorre para os materiais e ligas a diferentes temperaturas. Para que este fenômeno ocorra o material deve apresentar um mínimo de encruamento e ser aquecido à uma temperatura adequada. Este fenômeno será melhor descrito a seguir. MODIFICAÇ ÃO DE FASE: Ocorre em muitas ligas metálicas com a aumento da temperatura, sempre no estado sólido, como por exemplo em uma liga eutectoíde. II.2.1 Ligas que podem ser tratadas LIGAS COM EUTETÓ IDE E MODIFICAÇ ÃO DE FASE Ferro-Carbono Cobre-Alumínio Cobre-Estanho LIGAS COM MODIFICAÇ ÃO DE SOLUBILIDADE Ferro-Carbono Alumínio-Cobre Cobre-Prata Cobre-Cromo II.3 RECOZIMENTO Este tratamento consiste em aquecer o aço a um determinada temperatura e em seguida resfriá-lo lentamente, dentro ou fora do forno (Figura 6-2). Este tratamento visa restituir ao material as suas propriedades normais que foram alteradas por um tratamento mecânico ou térmico anterior. Como conseqüência, tem-se a formação de perlita de grande tamanho de grão e grande espessura de lamela (lamela de ferrita e/ou lamela de cementita) e, por isso, é chamada de perlita grossa ou perlita grosseira. Sendo assim os objetivos do recozimento são: remover tensões devidas a tratamentos mecânicos; diminuir a dureza; aumentar a ductilidade; regularizar a textura bruta de fusão; 5

11 eliminar o efeito de quaisquer tratamentos térmicos ou mecânicos a que o aço tenha sido submetido anteriormente. A temperatura de aquecimento deve situar-se a mais ou menos 50 C acima do limite superior da zona crítica (linha A3) para os aços hipoeutetóides e acima do limite inferior da zona crítica (linha A1) para os aços hipereutetóides. Figura 6-2: Diagrama representativo do tratamento térmico de recozimento. Para entender os passos do processo quatro conceitos devem ser conhecidos: trabalho a frio, recuperação, recristalização e crescimento de grão. TRABALHO A FRIO Significa deformar um metal a temperaturas relativamente baixas. Exemplos são a laminação a frio de barras e chapas e a trefilação. A microestrutura trabalhada a frio mostra grãos altamente distorcidos, que são instáveis. Através do aquecimento pode-se promover a mobilidade dos átomos e tornar o material mais mole com a formação da nova microestrutura. RECUPERAÇ ÃO É o estágio mais sutil do recozimento. Não ocorre alteração significativa da microestrutura. Entretanto a mobilidade atômica permite a redução de defeitos pontuais e a movimentação das discordâncias para posições de menor energia. O resultado é uma discreta redução da dureza e um aumento considerável da condutividade elétrica. 6

12 RECRISTALIZAÇ ÃO A temperatura onde a mobilidade permite alteração significativa das propriedades mecânicas situa-se entre 1/3 e ½ da temperatura de fusão T f. O metal exposto a estas temperaturas sofre uma transformação microestrutural denominada recristalização. A redução de dureza no processo de recristalização é substancial. A temperatura de exposição pode ser relacionada a fatores como o percentual de trabalho a frio. Altos valores percentuais de trabalho a frio, que causam grande encruamento, requerem temperaturas mais baixas para a recristalização. Em outras palavras, uma adição menor de energia térmica é capaz de iniciar o processo de modificação da microestrutura. CRESCIMENTO DE GRÃO A microestrutura desenvolvida na recristalização forma-se espontaneamente. Ela é estável, se comparada com a estrutura original trabalhada a frio. Entretanto a microestrutura recristalizada contém uma grande quantidade de contornos de grão. A redução destas interfaces de alta energia pode ampliar ainda mais a estabilidade. O crescimento de grão, não é diferente da coalescência de bolhas de sabão, processo controlado pela redução da área superficial. Deve ser lembrado que este estágio de crescimento de grão produz pouco amolecimento adicional na liga. Se a quantidade de trabalho a frio for pequena, o material passa pela etapa de recuperação, pula a etapa de recristalização e passa então a etapa de crescimento de grão, obtendo-se assim o crescimento dos grãos distorcidos pela deformação a frio. II.3.1 Tipos de Recozimento RECOZIMENTO ACIMA DA LINHA DE TRANSFORMAÇ ÃO: Neste caso aquece-se o material acima da zona crítica conforme exposto anteriormente e logo após o resfria de modo lento. RECOZIMENTO ABAIXO DA LINHA DE TRANSFORMAÇ ÃO OU PARA ALÍVIO DE TENSÕ ES: Neste caso o aquecimento é feito a temperaturas abaixo da zona crítica. Seu objetivo é apenas aliviar as tensões originadas em processos de conformação mecânica, soldagem, corte por chama, endireitamento, usinagem etc.. 7

13 RECOZIMENTO ISOTÉRMICO OU CÍCLICO: É utilizado para evitar o tempo muito longo exigido pelo recozimento. Neste caso, o aquecimento é realizado nas mesmas condições do recozimento comum, mas o resfriamento é dividido em duas etapas: resfriamento rápido até uma temperatura situada na parte superior do diagrama de transformação isotérmica, aí permanecendo o material durante o tempo necessário para que a austenita se transforme nos produtos normais de transformação; e a segunda etapa consiste no resfriamento até a temperatura ambiente, depois de completada a transformação da primeira etapa. RECOZIMENTO DE ESFEROIDIZAÇ ÃO É um processo de recozimento usado para aços de alto carbono (Carbono>0,6%), que deverão ser usinados ou conformados a frio posteriormente. Isto pode ser feito por uma das formas a seguir: Aquecer a uma temperatura imediatamente abaixo da linha A1, especificamente abaixo de 723 C. Manter a temperatura por um tempo prologado e posteriormente resfriar lentamente; Aplicar múltiplos ciclos térmicos entre temperaturas levemente acima e abaixo da linha A1, por exemplo, entre 700 e 750 C, e em seguida proceder resfriamento lento; Para aços alta liga e aços ferramenta aquecer entre 750 e 800 C e manter por várias horas. II.3.2 Recozimento Aplicados a Ferros Fundidos FERRO FUNDIDO BRANCO: Reduzir tensões e melhorar as propriedades mecânicas. Aquece-se geralmente acima da linha de transformação A1 (acima de 800 C) durante tempos que podem ser muito longos, dependendo da temperatura de aquecimento. O resfriamento deve ser muito lento. Resulta uma estrutura em que os carbonetos livres são finos, eliminando-se quase que totalmente a estrutura típica do material fundido; FERRO FUNDIDO CINZENTO: Melhorar a usinabilidade do material, além de aliviar as tensões originadas durante o resfriamento das peças fundidas. Nos ferros fundidos cinzentos emprega-se o recozimento para alívio de tensões, em que raramente se atinge a zona crítica, no aquecimento. As temperaturas usuais para o envelhecimento artificial (ou alívio de tensões) de peças de ferro fundido cinzento são as seguintes: 8

14 sem elementos de liga a 565 C; sem baixo teor em ligas a 600 C; de alto teor em ligas a 650 C. II.4 NORMALIZAÇ ÃO Este tratamento apresenta características muito semelhantes à do recozimento, a diferença é que se procura obter uma granulação mais fina e, portanto, melhores propriedades mecânicas. As condições de aquecimento do material são idênticas às que ocorrem no recozimento, porém o resfriamento é mais rápido ao ar, a estrutura obtida é a mesma da obtida no recozimento, porém mais uniforme e fina, conforme pode ser observado na Figura 6-3. Figura 6-3: Diagrama representativo do tratamento térmico de normalização. Normalização é o processo de elevação de temperatura dentro do campo austenítico, 60 C acima de A1. O material é deixado nesta temperatura até que toda a microestrutura esteja homogeneizada. Após é removido do forno e resfriado em temperatura ambiente sob convecção natural. A microestrutura resultante é formada por finos grãos de perlita com ferrita e cementita dispostas em finas lamelas. Esta microestrutura é de baixa dureza. O grau de ductilidade depende das condições do ambiente de resfriamento. Este processo é substancialmente mais barato do que o recozimento pleno, pois não existe o custo adicional de resfriamento no forno. A diferença principal entre peças recozidas e normalizadas é que as peças recozidas tem propriedades (ductilidade e 9

15 usinabilidade) uniformes através de todo o seu volume enquanto que as peças normalizadas poderão ter propriedades não uniformes. Isto se dá porque no recozimento pleno, toda a peça fica exposta ao ambiente controlado do forno durante o resfriamento. No caso de peças normalizadas, dependendo da geometria da peça, o resfriamento não será uniforme, resultando em propriedades não uniformes do material. Devido a não uniformidade de propriedades, a usinagem a posteriori poderá apresentar comportamento imprevisível para peças normalizadas. Como regra geral, para peças a serem submetidas à posterior usinagem, recomenda-se o recozimento pleno. A normalização é ainda utilizada como tratamento preliminar à têmpera e revenido, justamente porque, sendo a estrutura normalizada mais homogênea que a de um aço laminado, por exemplo, reduz-se a tendência ao empenamento e facilita-se a solução de carbonetos e elementos de liga. II.5 TÊMPERA Na têmpera, aquece-se o aço acima de sua zona crítica (mais ou menos 50 C acima de A1 para os aços hipoeutetóides e abaixo da linha Acm para os aços hipereutetóides), durante o tempo necessário para que toda a peça esteja devidamente aquecida, tempo este que é função da seção das peças, seguido de resfriamento rápido em um meio como o óleo, água, salmoura ou mesmo ar. O meio de resfriamento escolhido depende da posição das curvas em TTT do aço. Ou seja, o processo se dá pelo aquecimento a uma temperatura acima da temperatura de transformação (linha tracejada preta na Figura 6-4) e resfriamento rápido em fluidos como óleo ou água, conforme curva verde, obtendo-se uma estrutura basicamente martensítica pois a linha de resfriamento não intercepta a linha vermelha indicativa do início da transformação da austenita. A curva de resfriamento apresentada é apenas uma aproximação para um volume pequeno de aço. Os, principais, objetivos da têmpera são: Obter uma estrutura martensítica, o que exige resfriamento rápido, de modo a evitar-se a transformação da austenita em seus produtos normais; Melhorar as qualidades do metal, modificando-lhe as propriedades mecânicas; Aumentar da dureza; Aumentar a resistência à tração; Aumentar o limite de escoamento. 10

16 Figura 6-4: Diagrama representativo do tratamento térmico de têmpera e revenido. A temperatura de aquecimento dos aços hipereutetóides não necessita ser superior à linha Acm pelo seguinte motivo: acima de A1, o aço é constituído de austenita e pequenas partículas de carbonetos secundários ainda não dissolvidos. No resfriamento que se segue, a estrutura será constituída de martensíta e dos mesmos carbonetos secundários, os quais, possuindo dureza elevada, não apresentam qualquer inconveniente, pois o que se visa exatamente na têmpera é obter a máxima dureza. O principal produto da têmpera, a martensíta possui uma dureza elevada (65 a 70 RC). Isso se dá pois, o carbono que se dissolve prontamente no ferro gama é praticamente insolúvel no ferro alfa. No resfriamento rápido típico da têmpera, não se evita a transformação alotrópica gama em alfa, mas não se dá tempo suficiente para que o carbono se separe totalmente. Contudo, os espaços do reticulado cúbico centrado do ferro alfa não são suficientes para alojar o carbono, de modo que este fica aí retido distorcendo o reticulado, formando o que se poderia chamar de uma solução sólida supersaturada de carbono no ferro alfa. Admite-se que a martensíta apresente uma estrutura tetragonal compacta, resultante de um movimento de átomos em planos específicos da austenita. Essa estrutura, além de estar supersaturada de carbono, pode apresentar partículas de carbonetos grandemente dispersas e caracteriza-se por estar em estado de elevadas tensões. Numa peça real, o resfriamento das partes internas será mais lento que o da superfície. Assim, a linha para as primeiras estará mais deslocada para a direita e as estruturas formadas serão ligeiramente diferentes, conforme pode ser observado na Figura 6-5 O resfriamento desigual provoca tensões mecânicas, pois a região superficial se contrai mais rapidamente que o interior. Tais fatores são responsáveis pela tendência de deformações e empenamentos em peças temperadas. Em casos extremos, as tensões 11

17 internas podem ser tão altas que inutilizam a peça com a formação de trincas, pois a martensita, apesar de dura, tem fragilidade maior. Figura 6-5: Diagrama representativo do tratamento térmico de têmpera e revenido. Conforme dito anteriormente, o meio em que será resfriado a peça é função do material que a compõem, abaixo são citados alguns exemplos de ligas e os meios onde elas são resfriadas, alguns exemplos podem ser observados na Tabela 6-1, a seguir: Tabela 6-1: Material X (Temperatura de Aquecimento e Meios de Resfriamento). Material Aquecimento Meio de Resfriamento Aço Carbono (sem ligas) C Água (óleo nas ferramentas finas) Aço com ligas C Água ou óleo Aço rápido C Óleo ou jato de ar O estado de altas tensões, a distorção do reticulado e a dureza extremamente elevada da martensíta constituem inconvenientes que devem ser atenuados ou corrigidos, em alguns casos, pois a martensíta é muito frágil. Caso um material tivesse estrutura 100% martensítica, seria frágil como o vidro. Para atenuar este efeito, submete-se o aço temperado à operação de revenido. 12

18 II.5.1 Têmpera Superficial Essa operação tem por objetivo produzir um endurecimento superficial, pela obtenção de martensíta apenas na camada externa do aço. É aplicado em peças que, pela sua forma e dimensões, são impossíveis de temperar inteiramente, ou quando se deseja alta dureza e alta resistência ao desgaste superficiais, aliadas a boa ductilidade e tenacidade no núcleo das peças. Em função da fonte de aquecimento, a têmpera superficial compreende dois processos: têmpera por chama e têmpera por indução. a) TÊMPERA POR CHAMA OU ENDURECIMENTO POR CHAMA (FLAME HARDENING): A superfície a ser endurecida é rapidamente aquecida à temperatura de austenitízação por intermédio de uma chama de oxiacetileno e logo a seguir é resfriada por meio de um borrifo de água. Neste caso, uma chama de oxi-acetileno com alta intensidade é aplicada sobre a área desejada, conforme pode ser observado na Figura 6-6. A temperatura é elevada até a região da transformação da austenita. A temperatura correta é determinada pela cor do aço, e depende da experiência do operador. A transferência de calor é limitada pela temperatura da tocha, portanto a parte interna nunca atinge altas temperaturas. A região aquecida é temperada para obtenção da dureza desejada. O recozimento também pode ser aplicado para redução da fragilidade. ) A profundidade de endurecimento pode ser aumentada pelo prolongamento do tempo de aquecimento. Podem ser atingidas profundidades de até 6,3 mm. O processo é uma alternativa de tratamento para peças muito grandes, que não caibam em fornos. 13

19 Figura 6-6: Tratamento térmico de têmpera superficial por chama numa engrenagem. (Erro! Indicador não definido.) b) TÊMPERA POR INDUÇ ÃO OU ENDURECIMENTO POR INDUÇ ÃO ( INDUCTION HARDENING) O calor é gerado na própria peça por indução eletromagnética, utilizando-se, para isso, bobinas de indução através das quais flui uma corrente elétrica. O aquecimento é mais rápido por esse processo, o qual apresenta ainda a vantagem de que bobinas de diversos formatos podem ser facilmente construídas e adaptadas à forma das peças a serem tratadas. A profundidade de aquecimento é controlada pela forma da bobina, espaço entre a bobina de indução e a peça, taxa de alimentação da força elétrica, freqüência e tempo de aquecimento. No endurecimento por indução, a parte é colocada no interior de uma bobina submetida à passagem de corrente alternada. O campo energiza a peça, provocando seu aquecimento, conforme pode ser observado na Figura 6-7. Dependendo da freqüência e da corrente, a taxa e a profundidade de aquecimento podem ser controladas. Devido a estas características, o processo é indicado para tratamento térmico de superfícies. Os detalhes de tratamento são similares ao endurecimento por chama. Figura 6-7: Tratamento térmico de têmpera superficial por indução. 14

20 Após a têmpera superficial, os aços são revenidos geralmente a temperaturas baixas, com o objetivo principal de aliviar as tensões originadas. Os ferros fundidos cinzentos comuns ou ligados podem igualmente ser temperados superficialmente, por chama ou indução, de modo a produzir uma camada superficial martensítica dura e resistente ao desgaste. II.6 REVENIDO Revenimento é um processo feito após o endurecimento por têmpera. Peças que sofreram têmpera tendem a ser muito quebradiças. A fragilidade é causada pela presença da martensita. A fragilidade pode ser removida pelo revenimento. A têmpera modificará profundamente as propriedades dos aços, algumas delas tomam valores altos: dureza, resistência à tração, etc.; mas, outras, como a resistência ao choque, o alongamento, a estricção, caem a valores muitos baixos. Além disso, o material fica com tensões apreciáveis. O revenido visa, portanto, corrigir os excessos da têmpera ou, em particular, aliviar, senão eliminar totalmente, as tensões e corrigir a excessiva dureza e conseqüente fragilidade do material, melhorando sua ductilidade e resistência ao choque. A elasticidade e a resistência ao choque são elevados notavelmente pelo revenido, por esta razão costumam ser temperados e revenidos quase todos os tipos de molas. O aço revenido, além de apresentar tensões internas consideravelmente menores, possui certa capacidade de alongar-se e assim, antes da fibra mais solicitada romper-se, ela se alonga descarregando parte das tensões às fibras vizinhas menos solicitadas. Logo, o resultado do revenimento é uma combinação desejável de dureza, ductilidade, tenacidade, resistência e estabilidade estrutural. As propriedades resultantes do revenimento dependem do aço e da temperatura do revenimento. A martensita é uma estrutura metaestável. Quando aquecida, tende a estabilidade, ou seja, a transformar-se nas fases ferrita e cementita. Sendo assim, a operação de revenido é realizada no aço temperado, imediatamente após a têmpera, a temperaturas abaixo da zona crítica, desde poucas centenas de graus até as proximidades da linha A1, conforme pode ser visto na Figura 6-4. A temperatura será escolhida de acordo com os resultados finais desejados, ou seja, aliviar apenas as tensões ou eliminá-las completamente e produzir redução de certo modo apreciável da dureza. O efeito do revenido é tanto mais intenso quanto mais elevada for a temperatura a que se chegar e quanto mais tempo durar esse tratamento. 15

21 No revenido, o aquecimento leva a difusão do carbono (em excesso na estrutura) e sua conseqüente precipitação em forma de carboneto de ferro. A saída do excesso de carbono possibilita que a estrutura tetragonal torne-se cúbica, ou seja, torne-se ferrítica. Elevando-se a temperatura, aumenta-se a difusividade do carbono e possibilita-se a difusão do ferro (que é inexpressiva em baixas temperaturas), de forma que ficam facilitadas outras reações metalúrgicas que levem à minimização da energia acumulada nas interfaces das finas agulhas de martensita revenida e dos pequenos precipitados de carboneto. O aumento da temperatura leva assim ao crescimento das agulhas de ferrita e a coalescência dos precipitados. Sendo assim, o aumento da temperatura de revenimento leva à redução da dureza e ao aumento da ductilidade. A temperatura de revenimento deve ser aquela na qual são obtidas as propriedades desejadas. No revenido originam-se, conforme as faixas de aquecimento da martensíta, transformações estruturais, as quais determinam as propriedades finais do material. O revenido começa a atuar de maneira perceptível somente acima de 100 C. A medida que a temperatura se eleva acima de 100 C, vai crescendo a mobilidade das partículas de ferro alfa e da cementita e a separação se realiza de modo cada vez mais pronunciada, até, que, a 600 ou 650 C, a separação atinge um grau tal, que o aço, antes martensítico, apresenta-se agora com uma textura, característica, denominada sorbíta, constituída de pequeninos grãos de cementita, geralmente tendendo para a forma esferoidal, sobre um fundo de ferrita. II.6.1 Prática do Revenido O aquecimento para revenimento é mais eficiente quando as partes são imersas em óleo, para revenimentos até 350 C. A partir desta temperatura o óleo contendo as partes é aquecido até a temperatura apropriada. O aquecimento em banho permite que a temperatura seja constante em toda a peça, proporcinando um revenimento uniforme. Para temperaturas acima de 350 C é mais indicado usar um banho de sais de nitratos. Os banhos salinos podem ser aquecidos até 625 C. Independentemente do tipo de banho, o aquecimento gradual é fundamental para evitar fissuras no aço. Depois de alcançada a temperatura desejada, as partes são mantidas nesta temperatura por aproximadamente duas horas. São então removidas do banho e resfriadas em ar sem convecção. O revenido se aplica aos aços, duralumínio, aços para ferramenta, etc. O aço é revenido entre 450 C e a temperatura de transformação da autenita. O aço para ferramenta deve ser revenido entre 200 e 350 C (o revenido diminui a fragilidade). A ferramenta 16

22 deve ser aquecida num forno de banho líquido. O tempo de aquecimento da peça deve ser da ordem de 20 a 30 minutos. Para o revenido de ferramentas de formas delicadas, cerca de duas horas. O meio de resfriamento pode ser: para os aços carbono: água; para peças volumosas: óleo aquecido entre 150º e 200 C e em seguida ao ar livre; outros materiais: resfriamento ao ar livre. II.6.2 Têmpera e Revenido dos Ferros Fundidos Não são tratamentos ainda muito generalizados. Objetivam, aumentar a resistência mecânica, a dureza e a resistência ao desgaste. O material é aquecido acima da zona crítica, a temperaturas e durante tempos que dependem muito da composição do ferro fundido. O resfriamento é realizado geralmente em óleo ou ao ar em ferros fundidos cinzentos altamente ligados. O revenido, após a têmpera, reduz a fragilidade, alivia as tensões, diminui a dureza e melhora a tenacidade. As temperaturas de revenido variam de 370 a 600 C, as mais elevadas aplicando-se a ferros fundidos cinzentos ligados. 17

23 II.7 COALESCIMENTO Este tratamento, visa obter a estrutura esferoidita que confere aos aços uma dureza muito baixa e condições que facilitam certas operações de deformação a frio e a usinagem. Aplica-se sobretudo em aços de alto teor de carbono e consiste em aquecer-se o material a uma temperatura logo abaixo da linha A1 por tempo relativamente longo, ou em aquecer-se e resfriar-se alternadamente o aço entre temperaturas logo acima e logo abaixo de Al, isto é, fazer a temperatura de aquecimento oscilar em torno de A1. 18

24 III- TRATAMENTOS ISOTÉRMICOS O conhecimento dos diagramas de transformação isotérmica permitiu desenvolver novos tipos de tratamentos térmicos, visando um deles em particular, a obtenção da estrutura bainita. Alguns desses tratamentos substituem com vantagens, em determinados casos particulares, os tratamentos térmicos convencionais. III.1 AUSTÊMPERA Consiste no aquecimento do aço à temperaturas acima da crítica, seguido de resfriamento rápido de modo a evitar a transformação da austenita, até o nível de temperaturas correspondentes à formação de bainita. O aço é mantido a essa temperatura o tempo necessário para que a transformação da austenita em bainita se complete (Figura 6-8). Dependendo da temperatura do banho (de sal fundido ou chumbo derretido) onde o aço é resfriado, obtém-se bainita mais ou menos dura. O banho é, portanto, mantido a temperaturas entre 260 e 440 C. A seguir, o aço é resfriado, ao ar tranqüilo. Desde que a formação da bainita se dá sob temperatura mais alta do que a da formação da martensita no processo têmpera/revenido e é seguida por um resfriamento lento no ar, as tensões internas são menores. Assim, as peças tratadas por este meio quase não apresentam empenamentos ou tendência de trincas. Entretanto, nem todos os tipos de aço e geometrias de peças produzem bons resultados com a austêmpera. Em geral, somente para peças pequenas. Como a microestrutura formada é mais estável (α+fe 3 C), o resfriamento subseqüente não gera martensita. Não existe a fase de reaquecimento, tornando o processo mais barato. O controle de encruamento é conseguido pela escolha adequada da temperatura de transformação da bainita. Em muitos casos, a austêmpera substitui, com vantagens, os tratamentos de têmpera e revenido. Entre as vantagens, deve-se mencionar o fato de que as tensões internas resultantes no processo são muito menores, não ocorrendo praticamente qualquer 19

25 empenamento das peças tratadas. A austêmpera aplica-se em aços de temperabilidade relativamente elevada, como os que contêm carbono acima de 0,50% ou com carbono mais baixo, porém manganês mais elevado ou com a presença de elementos de liga. Figura 6-8: Diagrama representativo do tratamento isotérmico de austêmpera. Devido à influência da seção das peças nas curvas de resfriamento, a austêmpera não apresenta bons resultados em peças de grandes dimensões. Não convém que a seção das peças a serem austemperadas seja maior que 5 mm, por se tratar de aço-carbono; no caso de aços-liga, pode-se admitir seções até 25 mm. Embora tenha sido usado o exemplo do aço eutetoide, os princípios se aplicam a outras composições de aço. Os comportamentos entretanto podem ser bem diferentes do eutetóide. III.2 MARTÊMPERA Na prática durante o resfriamento convencional, na têmpera, a peça/parte poderá apresentar empenamento ou fissuras devidos ao resfriamento não uniforme. A parte externa esfria mais rapidamente, transformando-se em martensita antes da parte interna. Durante o curto tempo em que as partes externa e interna estão com diferentes microestruturas, aparecem tensões mecânicas consideráveis. A região que contém a martensita é frágil e pode trincar. Uma solução para este problema é um tratamento térmico denominado martêmpera. Na martêmpera o objetivo é obter martensíta, como na têmpera. Entretanto, o tratamento difere da têmpera comum, porque ao atingir, no resfriamento, a linha Mi de 20

26 início de formação da martensíta, o resfriamento é retardado, de modo a que esta se forme mais lentamente, conforme pode ser visualizado na Figura 6-9. O meio de resfriamento, óleo quente ou sal fundido, deve ser mantido a uma temperatura correspondente à linha Mi ou pouco acima. O material é mantido nessa temperatura, durante um tempo suficiente para que ela fique uniforme através de toda a sua seção. Em seguida, as peças são resfriadas ao ar. A formação da martensíta se dá de modo uniforme através de toda a seção da peça e evita-se o aparecimento em quantidade excessiva de tensões internas. Em seguida, procede-se ao revenido, aumentando assim a ductibilidade do material, como na têmpera comum. Este tratamento diminui o risco de empenamento das peças durante o tratamento. Figura 6-9: Diagrama representativo do tratamento isotérmico de martêmpera. Os aços-liga são os materiais que mais se prestam a esse tipo de tratamento e, como na austêmpera, a seção das peças é uma variável importante. As propriedades de um aço martemperado e revenido são idênticas às de um aço temperado e revenido. Embora não muito comumente, a austêmpera e a martêmpera são aplicadas igualmente em ferros fundidos cinzentos. 21

27 IV- TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS O endurecimento superficial dos aços, pela modificação parcial da sua composição química e aplicação simultânea de um tratamento térmico, compreende as seguintes operações: IV.1 CEMENTAÇ ÃO É o tratamento mais empregado e mais antigo, pois os romanos já o utilizavam. Consiste na introdução de carbono na superfície de aços de baixo carbono, de modo que o teor superficial desse elemento atinja valores até em torno de 1%, a uma profundidade determinada. O processo é seguido por têmpera. A temperatura do tratamento deve ser elevada, acima da zona crítica (mais especificamente entre 900 e 950 C) para que a estrutura austenítica esteja em condições de absorver e dissolver carbono. A têmpera posterior produzirá martensíta na camada enriquecida em carbono. O teor de carbono decresce, à medida que se penetra em profundidade. IV.1.1 Fatores que Influenciam a Profundidade de Cementação Temperatura de encharque; Tempo à temperatura de encharque, Concentração de carbono do meio. 22

28 IV.1.2 Aços para Cementação Devem possuir teor de carbono relativamente baixo e eventualmente apresentarem alguns elementos de liga em baixos teores, devem possuir granulação fina, para melhor tenacidade tanto na superfície endurecida como no núcleo. Antes da cementação, os aços devem ser normalizados para permitir usinagem, pois, após a cementação, somente operações de retificação podem conferir as dimensões e tolerâncias definitivas. Na cementação, as reações fundamentais são: 2C0 + 3Fe Fe 3 C + CO 2 (6.1) CH 4 + 3Fe Fe 3 C + 2H 2 (6.2) IV.1.3 Gases Promotores da Formação de Fe3C Os gases promotores da formação de Fe 3 C são, portanto, o CO e o CH 4. As reações são reversíveis, ou seja, partindo-se de gases ricos em CO e CH 4 ocorre a cementação; ao contrário, gases ricos em CO 2 e H 2 tendem a remover carbono da superfície. Assim sendo, deve-se procurar evitar CO 2 e H 2 e produzir mais CO e CH 4. IV.1.4 Processo de Cementação a) CEMENTAÇ ÃO SÓLIDA OU "EM CAIXA" A substância carbonácea fornecedora do carbono, é sólida, constituída das chamadas "misturas carburizantes". As misturas mais usadas incluem carvão de madeira, aglomerado com 5 a 20%, por meio de óleo comum ou óleo de linhaça, com uma substância ativadora para aumentar a velocidade de fornecimento do CO, que pode ser, entre outras, carbonato de sódio, carbonato de potássio, carbonato de cálcio ou carbonato de bário. As peças a serem cementadas são colocadas em caixas metálicas envoltas pela mistura carburizante. A profundidade de penetração do carbono pode atingir 2 mm ou mais; como o processo é de controle relativamente difícil, não se deve forçar a obtenção de uma camada cementada além de 0,6 a 0,7 mm, devido à quase impossibilidade de ter-se uma camada uniforme. 23

29 VANTAGENS Processo é relativamente simples; Permite o uso de vários tipos de fornos de aquecimento; Não exige atmosfera protetora; Não há necessidade de um operador muito experiente Baixa tendência ao empenamento das peças por elas estarem sustentadas na mistura carburizante sólida. DESVANTAGENS Processo não é tão limpo quanto os outros; Não é recomendável para a obtenção de camadas cementadas muito finas; Não permite um controle muito rigoroso do teor de carbono; Não é adequado para têmpera direta, pois a melhor técnica consiste em retirar as caixas do forno e deixá-las resfriar ao ar. b) CEMENTAÇ ÃO GASOSA Neste processo, a substância carbonácea é uma atmosfera gasosa, como CO, gases derivados de hidrocarbonetos (gás natural, propana, etana, butana) etc. A propana é o gás mais empregado. VANTAGENS Processo é mais limpo que o anterior; Permite um melhor controle do teor de carbono e da espessura da camada cementada; Mais rápido. DESVANTAGENS Reações são mais complexas; Instalação de tratamento é mais onerosa, existindo ainda aparelhagem mais complexa de controle e segurança; Pessoal encarregado deve ser mais experiente. c) CEMENTAÇ ÃO LÍQUIDA O meio carburizante é um sal fundido cuja composição é variável. A rigor, a ação carburizante é devida ao cianeto de sódio (NaCN) ativado pela presença de sais alcalinoterrosos, como cloreto de bário. 24

30 VANTAGENS Rápida e limpa; Permite maiores profundidades de cementação; Protege eficientemente as peças contra corrosão e descarbonetação; Elimina praticamente o empenamento; Possibilita melhor controle do teor de carbono; Possibilita a cementação localizada. DESVANTAGENS Fornos de banho de sal exigem exaustão, porque os cianetos a altas temperaturas podem ser venenosos; Banho de sal deve ser protegido com uma cobertura obtida pela adição de grafita de baixo teor em sílica no banho fundido. d) CEMENTAÇ ÃO SOB VÁCUO É este um processo relativamente novo, pois foi introduzido em escala comercial em As peças são introduzidas no forno, onde se processa o vácuo. Em seguida, a temperatura é elevada na faixa de 925 a C, em que a austenita fica rapidamente saturada de carbono. Introduz-se, então, um fluxo controlado de hidrocarbonetos gasosos (metana, propana ou outro gás), em quantidade que depende da carga, da área das superfícies a serem cementadas, do teor de carbono desejado e da profundidade de cementação. O gás, ao entrar em contato com a superfície do aço, desprende vapor de carbono, depositando uma camada muito fina de carbono na superfície do material. Esse carbono é imediatamente absorvido pelo aço, até o limite de saturação. O fluxo de gás é a seguir interrompido e as bombas de vácuo, que estão operando durante todo o processo, retiram o excesso de gás. Neste instante, começa a segunda fase do processo, ou o chamado "ciclo de difusão controlada", onde se atingem os desejados teores de carbono e de profundidade da camada cementada. As peças assim cementadas são menos suscetíveis à formação de óxidos, microfissuras, descarbonetação e outros defeitos. IV.1.5 Tratamentos Térmicos da Cementação - Têmpera direta: consiste em se temperar imediatamente após a cementação; recomenda-se para aços de granulação fina ou no caso de peças cementadas em banhos de sal; 25

31 - Têmpera simples: o aço após a cementação é resfriado ao ar. Em seguida é aquecido e temperado. A temperatura de reaquecimento para a têmpera vai depender da granulação do aço: quando esta é mais fina, aquece-se logo acima da linha A1, ou seja, austenitiza-se somente a camada cementada; ou aquece-se acima de Acm; o que facilita a dissolução do carboneto e se atinge o núcleo também; pode-se aquecer numa temperatura intermediária, que produz um núcleo mais resistente e tenaz; - Têmpera dupla: consiste em duas têmperas: na primeira, aquece-se acima de A3 para atingir o núcleo e na segunda, aquece-se logo acima de A1 para atingir a camada cementada. Uma das variedades é realizar a primeira têmpera, logo após a cementação. OBS.: Geralmente, os aços cementados e temperados não são revenidos. Eventualmente, procede-se a um revenido a baixa temperatura (entre 135 e 175 C) para alívio de tensões. IV.2 NITRETAÇ ÃO Neste processo, o endurecimento superficial é obtido pela ação do nitrogênio, quando o aço é aquecido numa determinada temperatura, sob a ação de um ambiente nitrogenoso. VANTAGENS Alta dureza superficial; Elevada resistência ao desgaste; Melhor resistência à fadiga, à corrosão e ao calor; Menor probabilidade de empenamento das peças durante o tratamento; Não necessita de tratamento térmico posterior. IV.2.1 Processo de Nitretação a) NITRETAÇ ÃO A GÁS É o processo clássico, que exige um tempo muito longo, de 48 a 72 horas (às vezes cerca de 90 horas). A nitretação é levada a efeito na presença de amônia. Durante o processo, a amônia se dissocia parcialmente em nitrogênio. O nitrogênio produzido 26

32 combina-se com os elementos de liga do aço e forma nitretos complexos de elevada dureza. Na nitretação a gás, a espessura nitretada raramente ultrapassa 0,8 mm e a dureza superficial obtida é da ordem de a Vickers. b) NITRETAÇ ÃO LÍQUIDA OU EM BANHO DE SAL O meio nitretante é uma mistura de sais de sódio e potássio. O tempo é muito mais curto que na nitretação a gás, raramente ultrapassando duas horas. Mas camadas nitretadas são geralmente menos espessas que na nitretação a gás. As propriedades obtidas são semelhantes às obtidas no outro processo; aparentemente conseguem-se melhores propriedades de fadiga. Qualquer tipo de aço, simplesmente ao carbono ou ligado, pode ser nitretado em banho de sal. IV.3 CIANETAÇ ÃO Consiste no aquecimento de um aço a uma temperatura acima de A1 num banho de sal de cianeto fundido, acarretando enriquecimento superficial de carbono e nitrogênio simultaneamente. Segue-se resfriamento em água ou salmoura e, assim, obtém-se uma superfície dura e resistente ao desgaste. A espessura da camada cianetada varia, em geral, de 0,10 a 0,30 mm. O processo é aplicado em aços-carbono de baixo teor de carbono. IV.4 CARBO-NITRETAÇ ÃO O meio carbo-nitretante é uma atmosfera gasosa, contendo carbono e nitrogênio ao mesmo tempo. A temperatura varia de 700 a 900 C e o tempo de tratamento é relativamente pequeno; a espessura das camadas carbo-nitretadas varia de 0,07 a 0,7 mm. IV.5 BORETAÇ ÃO Um tratamento superficial relativamente recente consiste na introdução, por difusão, do elemento boro; origina-se boreto de ferro com dureza muito elevada (1.700 a Vickers). O processo é realizado em meio sólido constituído de um granulado composto de carboneto de boro B 4 C e de um ativador, fluoreto duplo de boro e potássio. A temperatura do tratamento situa-se em torno de 900 C e o tempo depende da espessura desejada na camada boretada. 27

33 V- PROCESSOS SELETIVOS DE ENDURECIMENTO Existem métodos alternativos de promover o endurecimento total, parcial ou em regiões selecionadas de componentes. Estes métodos aplicam-se em situações especiais quando a propriedade é desejada apenas numa porção da peça ou na sua superfície, ou então no caso de peças muito grandes (trilhos, por exemplo) ou de reparos em estruturas (tubulações). São eles: V.1 ENDURECIMENTO POR LASER (LASER BEAM HARDENING) É uma variação do endurecimento por chama. Uma camada de fosfato é aplicado sobre o aço para facilitar a absorção da energia do laser. As áreas selecionadas da peça são expostas ao laser e aquecem-se. Variando a potência do laser, a profundidade de absorção do calor pode ser controlada. As peças são então temperadas e recozidas. O processo é muito preciso em impor aquecimento seletivo sobre áreas bem específicas. Além disto o processo pode ser feito em alta velocidade, produzindo pouca distorção. Figura 6-10: Uso do laser em peça cilíndrica (esq.) e aplicação localizada (dir.). 28

34 V.2 ENDURECIMENTO POR FEIXE DE ELÉTRONS (ELECTRON BEAM HARDENING) O endurecimento por feixe de elétrons é similar ao endurecimento por laser. A fonte de energia é um feixe de elétrons de alta energia. O feixe é manipulado com o uso de espiras eletromagnéticas. O processo pode ser automatizado, mas deve ser conduzido sob condições de vácuo, visto que os feixes de elétrons dissipam-se facillmente no ar. Como no caso do laser, a superfície pode ser endurecida com muita precisão, tanto na profundidade como na posição. Figura 6-11: Uso do feixe mostrando equipamento ( esq.) e detalhe peça e fonte (dir.). 29

35 BIBLIOGRAFIA 30

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