Tratamentos Térmicos. Uma Introdução

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1 Tratamentos Térmicos Uma Introdução

2 Tratamentos Térmicos Finalidade dos tratamentos térmicos: ajuste das propriedades mecânicas através de alterações da microestrutura do material. Objetivos: alívio de tensões controle da dureza e resistência mecânica melhora da ductilidade melhora da usinabilidade melhora da conformabilidade melhora da resistência ao desgaste melhora da resistência à corrosão

3 Ciclo geral de um tratamento térmico O ciclo geral de um processo de tratamento térmico consiste em: - aquecimento na temperatura, - manutenção na temperatura e - resfriamento T e m p e r a t u r a aquecimento permanência na temperatura resfriamento Tempo

4 Ciclo geral de um tratamento térmico 1.1. Aquecimento O tempo de aquecimento é o tempo necessário desde o início do aquecimento até a obtenção da temperatura desejada na superfície da peça tratada. A velocidade de aquecimento é a mudança da temperatura em função do tempo da superfície da peça. O aquecimento de peças pode ser realizado de cinco maneiras:

5 1.1. Aquecimento t = temperatura do forno, tp = temperatura da superfície da peça tratada tj = temperatura do centro da peça ( t = tp-tj). t0 = temperatura prescrita de aquecimento 1) as peças são colocadas no forno frio e se aquecem juntamente com o aumento da temperatura do forno: a velocidade do aquecimento é baixa os gradientes de temperatura são pequenos, as tensões térmicas são pequenas, a produtividade é baixa.

6 1.1. Aquecimento t = temperatura do forno, tp = temperatura da superfície da peça tratada tj = temperatura do centro da peça ( t = tp-tj). t0 = temperatura prescrita de aquecimento 2) as peças são colocadas no forno mantido na temperatura constante (pode ser um pouco mais alta do que a temperatura prescrita). este processo resulta em gradientes de temperatura e tensões térmicas maiores.

7 1.1. Aquecimento t = temperatura do forno, tp = temperatura da superfície da peça tratada tj = temperatura do centro da peça ( t = tp-tj). t0 = temperatura prescrita de aquecimento 3) as peças são expostas a um aquecimento intensivo, colocando-as em um forno com temperatura significativamente mais alta do que a temperatura prescrita. a temperatura da carga de peças aumenta rápido, sendo que para o seu aquecimento se aproveita também parte da energia térmica acumulada do forno. usa-se para o aquecimento de peças em caso de tratamentos termoquímicos (nitretação, cementação)

8 1.1. Aquecimento t = temperatura do forno, tp = temperatura da superfície da peça tratada tj = temperatura do centro da peça ( t = tp-tj). t0 = temperatura prescrita de aquecimento 4) as peças são colocadas em fornos com temperatura constante e mais alta do que a temperatura prescrita. a peça é retirada do forno quando a temperatura prescrita é atingida. os gradientes de temperatura e as tensões térmicas neste caso são as mais altas.

9 1.1. Aquecimento t = temperatura do forno, tp = temperatura da superfície da peça tratada tj = temperatura do centro da peça ( t = tp-tj). t0 = temperatura prescrita de aquecimento 5) aquecimento em estágios se realiza em um meio até uma certa temperatura, depois se transfere para outro meio com temperatura mais alta. este método se aplica para materiais que são suscetíveis ao trincamento devido às tensões térmicas.

10 1.1. Aquecimento Na fase de aquecimento os seguintes cuidados são essenciais: a) controle da velocidade de aquecimento - gradiente de temperatura causa tensões de origem térmica e estrutural, então o aquecimento muito rápido, pode causar choque térmico e iniciar trincamento Peças de ligas, que são suscetíveis ao trincamento devem ser colocados em forno preaquecido em temperatura mais baixa e em seguida a temperatura deve ser aumentada gradualmente.

11 1.1. Aquecimento b) controle da distribuição da temperatura na carga e no forno Quando se trata de cargas pequenas e fornos menores o controle do processo de aquecimento é menos exigente. Em cargas superiores a 200t, devido à alta inércia do sistema,é mais difícil obter uniformidade da temperatura através da carga toda. Recomenda-se a utilização de vários termopares no meio da carga de modo a poder controlar melhor a distribuição da temperatura durante o ciclo todo. c) distribuição das peças no forno as distâncias podem influenciar a transferência de calor por convecção e radiação.

12 1.1. Aquecimento Meios de Aquecimento: O meio de aquecimento pode ser: gasoso, líquido ou sólido. O mais comum é aquecer as peças em atmosfera gasosa. Atmosferas: N2 (asfixiante) H2 (inflamável, asfixiante) CO (inflamável, tóxico) CO2 (tóxico, asfixiante) CH4 (inflamável, asfixiante) inerte redutor redutor / carbonetador oxidante / descarbonetador carbonetador

13 1.1. Aquecimento Meios de Aquecimento: Meios líquidos: garantem maior uniformidade de temperatura e uma capacidade maior de aquecimento sais fundidos: BaCl2, NaCl, KCl, NaNO3, KNO3, etc. metais líquidos: Al, Pb O aquecimento em meios sólidos ( coque, cavacos de ferro fundido) tem a vantagem de uma maior velocidade de aquecimento do que nos meios gasosos.

14 1.2. Permanência na temperatura O tempo da permanência na temperatura depende: - do material (condutividade térmica) - da forma da peça - das dimensões da peça Tempo para uniformização de temperatura em peças de secção uniforme: pelo menos um minuto por milímetro de espessura. (Esse tempo deve ser ampliado em função da forma da peça e quando o aço for ligado). O tempo da permanência deve ser estabelecido para que: - se possam realizar os processos de caráter difusivo: - dissolução de carbetos, - homogeneização da composição química - ou diminuição das tensões internas.

15 1.3. Resfriamento O resfriamento a partir da temperatura do tratamento térmico tem uma grande influência na estrutura e nas propriedades do material processado. Diferentes taxas de resfriamento podem ser obtidas: - resfriamento no forno (taxas de resfriamento baixas) - resfriamento no ar fora de forno sem ou com circulação forçada taxas mais elevadas - resfriamento por névoa (partículas de água suspensas em um gás) - resfriamento por imersão em líquido (água, solução de sais em água, óleo, polímeros, banhos de sal, metal líquido)

16 Como Escolher o Meio de Resfriamento???? É um compromisso entre: - Obtenção das caracterísitcas finais desejadas (microestruturas e propriedades), - Sem o aparecimento de fissuras e empenamento na peça, - Sem a geração de grande concentração de tensões

17 1.4 Tensões internas, empenamento Durante o tratamento térmico ocorrem mudanças dimensionais no aquecimento e resfriamento devido à expansão térmica. Tensões de origem térmica Durante o resfriamento, a superfície da peça resfria e contrai mais rapidamente que o seu núcleo; No momento em que a região superficial tornar-se rígida pelo resfriamento, ela irá opor-se a ulterior contração do núcleo e surgirão tensões internas apreciáveis;

18 1.4 Tensões internas, empenamento Tensões térmicas em uma peça cilíndrica durante resfriamento (sem transformação de fase)

19 1.4 Tensões internas, empenamento Tensões provenientes das transformações de fases Em muitas ligas metálicas, particularmente nas ferrosas, as transformações de fases produzem variações de volume tanto mais sensíveis quanto mais drásticas as condições de resfriamento e mais complexas as formas das peças. Mudanças das tensões internas durante o resfriamento de um cilindro de aço que sofre transformação martensítica

20 1.4 Tensões internas, empenamento As mudanças dimensionais resultantes das tensões internas podem quando seu valor ultrapassar o limite elástico do material: - levar ao empenamento das peças - surgimento de trincas Para evitar um nível elevado de tensões: - resfriar as peças a baixa velocidade, o que nem sempre é possível, pois, na prática, o principal tratamento térmico das ligas ferrosas é a têmpera que exige velocidades de resfriamento elevadas. O projeto inadequado das peças como entalhes, mudanças bruscas das seções podem também levar ao empenamento e trincamento.

21 1.5. Fornos Os fornos empregados para tratamentos térmicos podem ser classificados em dois grandes grupos: a) intermitentes b) contínuos

22 1.5. Fornos Intermitentes: em que a carga entra periodicamente. Um forno intermitente básico normalmente consiste de uma câmara isolada, de uma casca de aço reforçada, de um sistema de aquecimento e de uma ou mais portas para carregamento. (Alguns dos tipos mais comuns: fornos de caixa, fornos de fundo móvel, fornos tipo sino, fornos poço, fornos de banho de sal ou de chumbo).

23 1.5. Fornos Forno de batelada semicontínuo aquecido a gas. Forno de batelada para homogeneização de grandes cilindros.

24 1.5. Fornos Contínuos: em que a carga entra continuamente. Os componentes básicos de um forno contínuo são também a câmara, o sistema de aquecimento, portas de acesso. Os fornos contínuos mais usados incluem fornos com correia transportadora, fornos munidos de empurradores, fornos soleira móvel sobre roletes, fornos de soleira giratória, fornos túnel. Forno contínuo com correia.

25 Controle da temperatura

26 Controle da temperatura Os sensores mais usados são os de contato, como termopares (90 % de todos os sensores), e termômetros de resistência (mais precisos do que o termopar, mas também mais caros). Os termômetros sem contato (sensores de radiação) são os pirômetros que podem ser óticos ou detectores térmicos. O uso destes sensores é justificado quando a temperatura é alta demais para um sensor de contato, ou quando se exige uma resposta mais rápida.

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28 Recozimento

29 Recozimento O recozimento é um tratamento térmico que elimina parcialmente ou totalmente, o afastamento do estado de equilíbrio originado com um tratamento térmico ou mecânico anterior, como deformação plástica, fundição, soldagem, tratamento térmico ou outros processos tecnológicos. Dependendo do grau de afastamento das condições de equilíbrio, se diferenciam os seguintes recozimentos: Recozimento para homogeneização Recozimento total ou pleno Recozimento para recristalização Recozimento para alívio de tensões

30 Recozimento Recozimento é um termo genérico para as operações de tratamento térmico que consistem no AQUECIMENTO e manutenção em uma TEMPERATURA por TEMPO CONTROLADO, seguido de RESFRIAMENTO LENTO com o forno desligado; Os processos de recozimento, em geral, tem como objetivos: Facilitar as operações de trabalho a frio e usinagem com a obtenção de máxima ductilidade. Remover tensões resultantes dos processos de fundição e conformação mecânica a frio; Diminuir a dureza para melhorar a ductilidade, ajustar o tamanho de grão, regularizar a textura bruta de fusão e Equalizar a composição ao longo da peça.

31 Recozimento O Recozimento também pode ser classificado em Pleno, Subcrítico e Intercrítico. Faixas Típicas para Recozimento Pleno, Subcrítico e Intercrítico

32 Recozimento para Recristalização Recozimento caracterizado pela permanência em temperatura dentro da faixa de recristalização, após deformação realizada abaixo dessa faixa. Utiliza-se para peças deformadas plasticamente a frio, com a finalidade de reduzirem os seus limites de escoamento e de resistência.

33 Recozimento para Recristalização A deformação a frio resulta em encruamento - aumento da dureza, resistência mecânica, resistência elétrica, e ao mesmo tempo, em redução da dutilidade. O trabalho a frio causa também um aumento significativo do número das discordâncias e certos planos cristalográficos são severamente distorcidos. A maior parte da energia da deformação plástica é dissipada em forma do calor, mas uma parte (~ 5%) é armazenada na estrutura do cristal como energia interna associada aos defeitos da rede cristalina formados durante a deformação. Essa energia armazenada atua como a força motriz para devolver ao sistema as condições normais da estrutura não deformada, desde que se criem condições cinéticas capazes de realizar esse processo. A barreira energética que impede essa volta à condição não deformada é ultrapassada pelo aquecimento do metal, a uma temperatura, durante um tempo determinado.

34 Recozimento para Recristalização Em função da temperatura e do grau do trabalho ao frio o recozimento compreende três estágios principais: - recuperação - recristalização - crescimento de grão.

35 Recozimento para Recristalização RECUPERAÇÃO estrutura dos grão não se altera (fenômenos se manifestam a nível de subestrutura) propriedades mecânicas e físicas são parcialmente restauradas baixas temperaturas movimentação e eliminação de lacunas altas temperaturas rearranjo e aniquilação de discordâncias O estágio de recuperação também é chamado de Recozimento para Alívio de Tensões. RECRISTALIZAÇÃO alteração da estrutura dos grão (substituição da estrutura trabalhada a frio por novos grãos livres de deformação) propriedades mecânicas e físicas são restauradas (todos os efeitos do encruamento são eliminados)

36 Recozimento para Recristalização A temperatura de recristalização é definida como a temperatura na qual o processo é completo durante uma hora. A recristalização é iniciada a uma temperatura mais baixa e se completa em uma faixa mais estreita das temperaturas, quando: a deformação prévia tiver sido maior o tamanho de grão original for menor; o metal for mais puro; Existe uma deformação crítica, abaixo qual não ocorre recristalização Temperatura da recristalização como função da porcentagem do trabalho a frio

37 Recozimento para Recristalização O tamanho de grão após a recristalização influencia a resistência mecânica, sendo favorável um tamanho de grão menor para altos valores de tensão de escoamento. O tamanho de grão do metal recristalizado será menor quanto: menor a temperatura; menor o tempo de aquecimento até a temperatura; mais intenso o encruamento prévio; maior a quantidade presente de partículas insolúveis ou mais finamente dispersas elas estiverem.

38 Recozimento para Recristalização CRESCIMENTO DE GRÃOS Após a recristalização se completar, a microestrutura de grãos recristalizados ainda não é a mais estável. A quantidade de contornos passa atuar como potencial termodinâmico para o crescimento de grão de modo a diminuir o número de grãos por unidade de volume ou, em outras palavras, diminuir a área total desses contornos. Os contornos de grão de alto ângulo representam um lugar com elevada desordem dos átomos o que significa um nível mais alto da energia. Isso significa, que depois da transformação do volume inteiro do material para grãos não deformados estes continuam a crescer, reduzindo assim a quantidade dos contornos dos grãos(e a energia interna do sistema). No entanto, o potencial termodinâmico para o crescimento de grão é cerca de duas ordens de grandeza menor que o potencial termodinâmico para a recristalização primária.

39 Recozimento para Recristalização

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41 Recozimento para Alívio de Tensões (Subcrítico) Não envolve a formação de Austenita Aplicado com TEMPERATURAS inferiores a A1 (40 a 100ºC, abaixo de A1) O objetivo é ALIVIAR as TENSÕES originadas durante a solidificação de peças fundidas ou produzidas em operações de conformação mecânica, corte, soldagem ou usinagem, RECUPERAR A DUCTILIDADE DO AÇO TRABALHADO A FRIO (ENCRUADO). Também é utilizado para ajustar o tamanho de grão e gerar COALESCIMENTO e aglomeração de carbonetos. O mecanismo do processo de alívio de tensões é a movimentação de defeitos pontuais e discordâncias, induzida termicamente, que permite a remoção das deformações internas O tratamento aplica-se a todas as ligas Fe-C, a ligas de Al, Cu e suas ligas, Ti e algumas de suas ligas, ligas de Mg, de Ni etc.

42 Esferoidização Tratamento térmico que tem como objetivo MELHORAR a CONFORMABILIDADE a frio dos aços médio e alto C e MELHORAR a USINABILIDADE de aços hipereutetóides e aços ferramentas. Aços esferoidizados por operações de aquecimento e resfriamento produzem estruturas de CARBONETOS GLOBULARES em matriz ferrítica. MÉTODOS 1.) Manutenção por tempo prolongado à temperatura pouco abaixo da crítica ( 40 horas); 2.) Aquecimento e resfriamento alternantes entre 2 temperaturas acima e abaixo da crítica ( 25 a 50 C);

43 Esferoidização 3.) Aquecer acima da temperatura para dissolução dos carbonetos (Acm), seguido de resfriamento rápido (para evitar formação de rede de carbonetos) até temperatura pouco abaixo de A1. Manter na temperatura, conforme 1, ou seguir o 2.

44 Esferoidização Microestruturas esferoidizadas de aços. As partículas pequenas são cementita, a fase contínua é ferrita.

45 Esferoidização

46 Recozimento para Homogeneização A homogenização é um tipo de tratamento térmico de recozimento normalmente realizado nos primeiros estágios do processamento à quente dos aços (Laminação e Forjamento). - realizada em altas temperaturas austeníticas - eliminação de segregações ou gradientes de concentração química produzidos no processo de solidificação de um lingote; - dissolução de partículas de segunda fase - a homogenização melhora a trabalhabilidade à quente mas também contribui para uniformidade do aço quanto a recozimentos subsequentes ou operações de endurecimento.

47 Recozimento Pleno ou Total O objetivo é eliminar as heterogeneidades estruturais (segregações, gradientes de concentração química) através de uma repartição mais homogênea dos componentes solúveis, por difusão. O tratamento aplica-se a todas as ligas Fe-C e muitas ligas nãoferrosas: Cu e suas ligas, ligas de Al, ligas de Mg, Ni e Ti.

48 Recozimento Pleno ou Total Nos Aços: No recozimento pleno, o aço geralmente é aquecido até a AUSTENIZAÇÃO COMPLETA da estrutura, seguido de RESFRIAMENTO LENTO em FORNO DESLIGADO. Observa-se o crescimento do grão austenítico, austenita uniforme e homogênea, melhor capacidade de trabalho mecânico e comportamento uniforme do aço aos posteriores tratamentos térmicos. Recozimento pleno produz PERLITAS GROSSAS ou Grosseiras (PG), resistência e dureza baixas e ductilidade elevada, boa usinabilidade.

49 Recozimento Pleno ou Total AQUECIMENTO ATÉ : Para os aços hipoeutetóides 50 C acima de A3 Para os aços hipereutetóides 50 C acima de A1 Motivo: Não pode ultrapassar Acm porque no resfriamento ao atravessar esta linha forma-se Cementita (Fe 3 C) agulhada (ou em rede) nos contornos de grão da Austenita, fragilizando dessa forma o aço. Deve-se proteger as superfícies das peças de aço em meio sólido ou gasoso para impedir que estas sejam afetadas por OXIDAÇÃO ou DESCARNONETAÇÃO. Os equipamentos de aquecimento (FORNOS) empregados podem ser intermitentes ou contínuos.

50 Recozimento Pleno ou Total Exemplos de Microestruturas de Aços após Recozimento Pleno

51 Recozimento Pleno ou Total Exemplos de Microestruturas de Aços após Recozimento Pleno

52 Normalização A normalização é um tratamento térmico que, similarmente ao recozimento, produz uma microestrutura uniforme. Tratamento aplica-se a todas as ligas Fe-C e não-ferrosas: Cu, Al, Mg, Ni e Ti.. A normalização em aço hipoeutetóide é realizada a temperaturas relativamente maiores que aquelas utilizadas no recozimento (acima de A3), enquanto que nos aços hipereutetóides a faixa de temperatura de aquecimento está acima de Acm (Não há formação de um invólucro de carbonetos frágeis devido a velocidade de refriamento ser maior).

53 Normalização Na normalização o aquecimento é seguido de resfriamento ao ar, ao contrário do recozimento pleno que é mais lento por ser realizado no forno. A temperatura de austenitização um pouco maior usada na normalização, quando comparada com a usada no recozimento dos aços hipoeutetóides, em geral produz uma maior uniformidade na estrutura austenítica e uma composição similar a do tratamento de homogenização, embora em temperaturas menores e tempos mais curtos. Além disso, um outro objetivo principal da normalização é o refino do tamanho de grão que frequentemente torna-se muito grosseiro durante o trabalho a quente a elevadas temperaturas.

54 Normalização Constituintes Estruturais resultantes Hipoeutetóide ferrita + perlita fina Eutetóide perlita fina Hipereutetóide cementita + perlita fina Em relação ao recozimento a microestrutura é mais fina, apresenta menor quantidade e melhor distribuição de carbonetos

55 Normalização

56 Normalização

57 TÊMPERA E REVENIDO DOS AÇOS

58 Têmpera e Revenido O tratamento térmico, que consiste de têmpera e revenido é o mais importante, possibilitando a obtenção de estruturas e propriedades que permitem o emprego do aço em peças de maior responsabilidade e em aplicações mais críticas. Aços com teor de carbono menor de ~0,3 % não podem ser endurecidos por têmpera com eficiência A têmpera consiste: - em resfriamento rápido a partir da temperatura de austenitização, em um meio de grande capacidade de resfriamento. - As temperaturas de austenitização coincidem com as temperaturas do recozimento pleno. O tempo da permanência na temperatura deve ser em torno de 1,2 min para cada mm da espessura (em banho de sal ou de chumbo: 0,6 min /mm).

59 Velocidade crítica de resfriamento A velocidade de resfriamento deve ser tal, que a curva de resfriamento pelo menos tangencie o cotovelo ou joelho da curva de início da transformação da austenita (de modo a evitar que esta se transforme nos constituintes normais) e atinja as linhas horizontais correspondentes à formação de martensita. Essa velocidade de resfriamento é a velocidade crítica de resfriamento e dependerá da posição das curvas TTT, ou seja do tipo do aço, e da forma e dimensões das peças. (De acordo com as dimensões das peças, pode se obter estruturas mistas, pois é possível que o núcleo das peças não resfrie com velocidade suficiente de modo a evitar a formação de alguma perlita.)

60 Velocidade crítica de resfriamento Ciclo clássico da têmpera e revenido

61 Meios de resfriamento na têmpera Severidade da Têmpera: indica a taxa de resfriamento; quanto mais rápido a têmpera, maior a severidade. O resfriamento é tanto mais rápido (i.e., a taxa de resfriamento dt/dt é tanto mais elevada): quanto mais eficiente, do ponto de vista do escoamento do calor, for o meio de resfriamento. Para a severidade do meio são fatores importantes: a condutividade térmica, a capacidade calorífica, a temperatura e o grau de agitação do meio de resfriamento.

62 Meios de resfriamento na têmpera Por ordem decrescente de severidade podemos indicar: água agitada, água em repouso, óleo, ar, resfriamento em forno. Têmpera em óleo é bastante utilizada para tratamento térmico de muitos aços. Para aços de alto teor de carbono, a têmpera em água é muito severa podendo produzir trincas e empenamentos. Já o resfriamento ao ar de aços carbono comuns produz uma estrutura quase totalmente perlítica.

63 Meios de resfriamento na têmpera A escolha do meio de resfriamento para a operação de têmpera depende de: a) dureza final desejada; b) forma e dimensões das peças; c) capacidade de endurecimento do aço. Em princípio, quanto maior for a capacidade de resfriamento do meio, maior a dureza final. Contudo, velocidades muito drásticas, proporcionadas por meios de grande capacidade de resfriamento, podem ser prejudiciais em função das dimensões e formas das peças.

64 Meios de resfriamento na têmpera (a) Água sob agitação e (b) óleo

65 Meios de resfriamento na têmpera Perfil radial de dureza para: (a) (b) Amostras cilíndricas de diâmetro 50 mm dos aços 1040 e 4140 temperado em água e amostras cilíndricas de diâmetros 50 e 100 mm do aço 4140 temperados em água.

66 Aquecimento Aquecimento Evitar tensões residuais É necessário garantir um aquecimento uniforme ao longo de toda a peça para reduzir as tensões internas (devidas a gradientes térmicos) e consequentes deformações.

67 Aquecimento Aquecimento Evitar oxidação superficial Devido à atmosfera oxidante do forno, pode haver oxidação do Fe e C: Se o Fe oxidar, a peça fica com uma película de óxidos fácil de detectar e de remover. Se o C oxidar, não se consegue detectar o problema. Mas o aço fica descarbonetado e a sua dureza superficial inferior ao esperado. Solução: Potencial de carbono da atmosfera = teor em carbono do aço: caixas de proteção com coque queimado, limalha de ferro fundido fornos de atmosfera controlada

68 Temperatura de Austenitização Temperatura Aços hipo: Ac3+ 50ºC Aços hiper: Ac1+ 50ºC Ac3 ou Ac1 podem ser determinadas através de: Diagrama de equilíbrio Curvas dilatométricas Fórmulas empíricas Diagramas TI ou TC Nota: Para aços com elementos de liga que formam carbonetos estáveis (ex: aços rápidos) deve-se elevar a temperatura acima de Acm (~300ºC) para dissolvê-los e enriquecer a austenita em carbono.

69 Tempo na Temperatura de Austenitização O tempo na temperatura de austenitização depende da dimensão e da composição química: aços s/ liga ou de pouca liga: 5 min / 10 mm de espessura aços c/ média liga: 7 min / 10 mm de espessura aços de muita liga: 10 min / 10 mm de espessura O tamanho de grão da austenita, que dita os resultados da têmpera, depende fundamentalmente da temperatura mas também do tempo. Deve-se evitar tamanho de grão da austenita muito grande porque: Diminui a tenacidade Gera tensões residuais É mais fácil de empenar É mais fácil de ocorrer fissuras

70 A formação e as propriedades da martensita O resfriamento rápido em aços pode conduzir à formação de uma fase não prevista no diagrama de equilíbrio: a martensita. Microestrutura da martensita (aço AISI 8620) Martensita

71 Martensita A martensita é uma solução sólida supersaturada de C no Fe de rede cristalina cúbica de corpo centrado ou de Fe de rede cristalina tetragonal de corpo centrado. A rede cristalina do ferro estará necessariamente distorcida em escala atômica.

72 Martensita

73 Martensita A transformação martensítica ocorre sem difusão, começando a uma temperatura fixa, para cada aço, designada por Ms (martensite start). Ms diminui com o aumento do teor em carbono de um aço. A temperatura abaixo da qual não ocorre mais transformação martensítica designa-se por Mf (martensite finish).

74 Transformação Martensítica As transformações martensíticas não são exclusivas dos aços; outros sistemas também são susceptíveis de sofrer esse tipo de tranformação. Durante a transformação martensítica as placas da fase nova surgem ao longo de planos possíveis de deslizamento. As mudanças cristalográficas, que ocorrem durante a transformação resultam nas suas propriedades únicas. A martensita transfere sua elevada dureza e grande fragilidade ao aço temperado.

75 Martensita Quando não se transformou toda austenita em martensita na microestrutura do material observa-se a presença da austenita retida. Microestrutura mista de martensita (escura) e austenita retida (clara- marcada com flechas)

76 Martensita A dureza da martensita aumenta com o teor do carbono no aço. Os aços de alto carbono (a partir de 0,7 %) mostram uma tendência a reter a austenita, o que diminui a dureza. A dureza do aço depende do teor do carbono e da porcentagem da martensita obtida durante a têmpera

77 Revenido Depois da têmpera o aço tem: Resistência e dureza elevadas Alongamento (%) e tenacidade ao choque (K) baixas Muitas tensões internas. O revenido, portanto, tem como objetivo: - Alivíar ou remover tensões - Corrigir a dureza e a fragilidade, - Aumentar a dutilidade e a tenacidade

78 Revenido Após a têmpera e homogeneização da temperatura, o aço é colocado durante um certo período de tempo a uma temperatura abaixo da temperatura eutetóide, seguido de resfriamento ao ar.

79 Revenido O revenido provoca uma evolução do material para um estado mais próximo do estado de equilíbrio sem atingí-lo completamente. Durante o revenido ocorrem transformações na microstrutura do aço, induzidas por difusão: - decomposição da martensita - formação de precipitados de carbonetos. As propriedades mecânicas obtidas no revenido dependem das transformações dos constituintes obtidos depois da têmpera. A ferrita, a perlita e a bainita que estão relativamente próximas do estado de equilíbrio praticamente não se alteram. A martensita e a austenita residual, nitidamente fora de equilíbrio, é que vão transformar-se, sendo responsáveis pelas alterações significativas das propriedades mecânicas.

80 Revenido Efeito da temperatura de revenido nas propriedades mecânicas de uma barra de aço 4340 temperado em óleo.

81 REVENIDO C os carbonetos começam a precipitar Estrutura: martensita revenida (escura, preta) Dureza: 65 RC RC C os carbonetos continuam a precipitar em forma globular (invisível ao microscópio) Estrutura: TROOSTITA Dureza: 62 RC 50 RC

82 REVENIDO C os carbonetos crescem em glóbulos, visíveis ao microscópio Estrutura: SORBITA Dureza: RC C os carbonetos formam partículas globulares Estrutura: ESFEROIDITA Dureza: <20 RC

83 Mudanças durante o revenido Troostita: agregado escuro; há precipitação de carbonetos finos Sorbita: partículas de cementita precipitadas, as quais ficam perfeitamente visíveis numa matriz ferrítica.

84 Mudanças durante o revenido

85 Mudanças durante o revenido

86 Mudanças durante o revenido Transformação da austenita residual Para os aços muito ligados e com muito carbono, outro fenômeno pode ocorrer: ente 500~600ºC a austenita residual que está super-saturada em C fica mais pobre em C. O ponto Ms sobe e no resfriamento a γr M, chamada martensita secundária.

87 TRATAMENTOS ISOTÉRMICOS

88 Os tratamentos isotérmicos são baseados no conhecimento das curvas TTT. São conduzidos de tal maneira que as transformações de fases se realizam a uma temperatura constante

89 Martêmpera Visa a obtenção de martensita, porém em condições diferentes da têmpera normal.

90 O procedimento consiste dos seguintes estágios: resfriamento rápido da temperatura de austenitização em um meio líquido aquecido (óleo quente, banho de sal fundido, metal fundido, leito fluidizado) a uma temperatura acima da temperatura do início da formação de martensita (Ms) manutenção nesta temperatura até a obtenção da uniformidade da temperatura da peça ao longo da sua seção transversal resfriamento a uma taxa moderada (ao ar), para evitar grandes diferenças de temperatura entre a superfície e o centro da peça. A formação da martensita ocorre uniformemente na seção inteira durante o resfriamento até a temperatura ambiente. A microestrutura depois da martêmpera é então essencialmente martensita, que é frágil para a maioria de aplicações. Por isso o material tratado termicamente pela martêmpera exige um revenido como o material após uma têmpera convencional

91 A vantagem da martêmpera é que não se produz uma grande diferença de temperatura entre a superfície e o centro da peça, de modo que a formação da martensita ocorre a uma velocidade uniforme através de toda a seção do aço; eliminando-se, assim, praticamente todas as tensões residuais, o empenamento e as fissuras de têmpera. Utiliza-se para peças propensas a sofrerem empenamentos e que necessitam das mesmas propriedades alcançáveis pela têmpera seguida de revenimento.

92 Os meios de resfriamento mais usados para a martêmpera são: óleo quente - com temperatura até 205 C (martêmpera padrão) - com temperatura até 175 C ( martêmpera modificada) sais fundidos na faixa de temperaturas entre 160 e 400 C. Os aços liga são mais adequados para martêmpera do que os aços carbono.

93 Austêmpera Tratamento isotérmico composto de aquecimento até a temperatura de austenitização, permanência nesta temperatura até completa equalização, resfriamento rápido até a uma temperatura constante, acima de Ms, promovendo-se a transformação completa da austenita em bainita, seguindo-se um resfriameto ao ar.

94 Aços para austêmpera A seleção dos aços para austêmpera deve ser baseada nas curvas TTT, especialmente no tempo necessário apara a transformação bainítica, e na posição da temperatura de início de transformação martensítica. Os aços mais usados são: aços carbono com 0,5 1,0%C (min 0,6%Mn), aços alto carbono com menor teor de Mn (0,9 %C), alguns aços baixa liga com teor de carbono acima de 0,3%.

95 As vantagens da austêmpera (1) menos distorção e trincamento do que na martêmpera, (2) não precisa de têmpera final (consome menos tempo e melhor eficiência de uso de energia) (3) melhoria da tenacidade (maior energia de impacto do que a Têmpera e revenido clássico) (4) melhor ductilidade (5) ciclo mais curto para peças que exigem dureza na faixa HRC com economia nos custos de energia e investimentos. As limitações da austêmpera A austêmpera pode se aplicar só em casos, onde a transformação em perlita pode ser evitada. Isso significa que a secção inteira deve ser resfriada com suficiente rapidez. Isso limita que nas aplicações industriais não se empregam seções mais grossas do que ½ polegada. A espessura pode ser aumentada em caso de aços ligados, mas por outro lado o tempo de transformação para bainita pode demorar muito.

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97 TRATAMENTOS SUPERFICIAIS

98 TRATAMENTOS SUPERFICIAIS Nem sempre é necessário se obter elevada dureza à máxima profundidade Para muitas aplicações a dureza superficial adequada, abrangendo camadas superficiais relativamente finas é mais do que suficiente. Métodos de endurecimento superficial são mais econômicos.

99 TRATAMENTOS SUPERFICIAIS O objetivo dos tratamentos superficiais é realçar as propriedades de superfície para atender requisitos específicos, enquanto o interior da peça mantém suas propriedades estruturais. Os tratamentos de endurecimento superficial podem ser divididos em dois grupos: Têmpera superficial: possibilitam um endurecimento somente devido ao aquecimento localizado da superfície, através de transformações de fase termicamente induzidas. - por chama - indução - feixe de elétrons - por laser Tratamentos termo-químicos: envolvem alterações na composição da camada superficial - cementação - nitretação

100 Têmpera Superficial O procedimento da têmpera superficial consiste em aquecer-se a superfície do aço rapidamente, de modo que atinja a zona austenítica, até uma certa profundidade, seguindo-se resfriamento rápido. Desse modo, somente uma camada superficial, de espessura que pode ser determinada com alguma segurança, ficará temperada e adquirirá a estrutura martensítica. Abaixo dessa camada o aço permanece na sua condição original de estrutura recozida ou, eventualmente, normalizada, com uma zona de transição. Vantagens: endurecimento apenas em seções críticas das peças, como dentes de engrenagens, guias de máquinas operatrizes, etc; menores riscos de empenamento e fissuras durante o resfriamento; utilização de aços de menor custo, como os aços C; menor investimento em equipamentos. Os aços mais comumente usados na têmpera superficial são aços carbono com teor de carbono acima de 0,35 % ou aços liga com baixos teores de elementos de liga. Os dois principais processo de têmpera superficial são: - têmpera por chama - têmpera por indução

101 Têmpera por chama Este é o processo mais antigo. Utiliza-se uma chama de oxiacetileno e um jato de água na forma de borrifo. Gás Combustível Água Zona Endurecida Aço Martensita Chama Temperatura ~ 3000 C Água A temperatura para atingir a zona austenítica depende do teor de C. Quanto mais baixo o carbono, maior a temperatura: 850 a 875 C para aços com 0,6% C; 900 a 975 C para aços com 0,3% C.

102 O sistema mais simples é o de um dispositivo semelhante a um torno onde as peças de seção circular uniforme seriam colocadas entre as pontas do mesmo, girando a uma velocidade periférica determinada, com a torcha de oxi-acetileno e o bocal de água colocados no carro. A torcha deve ser dimensionada de acordo com a área a ser aquecida de uma só vez. A chama aquece sucessivamente a peça em rotação, seguindo-se imediatamente o resfriamento pela água.

103 O processo de têmpera por chama é mais adequado para aços com médio teor de carbono (na faixa de 0,4 0,6 %C). Quanto menor o tempo do tratamento, menor a profundidade de penetração (10 a 12 s). A profundidade do endurecimento pode ser aumentada com o prolongamento do aquecimento; neste caso mais suave é o gradiente de dureza da superfície para o centro. Pode ser obtida uma profundidade até cerca de 6,5 mm. Peças grandes que não cabem nos fornos também podem ser tratados com a têmpera por chama. A têmpera por chama pode ser conduzida manualmente ou no modo automatizado. O equipamento automático produz resultados uniformes. Os equipamentos automáticos tem velocidades variáveis e podem ser adaptados para peças de diferentes tamanhos e formas. A forma e o tamanho da torcha depende também da forma e tamanho da peça tratada.

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105 Têmpera por indução Neste processo, o calor superficial é produzido por indução eletromagnética, mediante o emprego de bobinas de cobre que envolvem a peça. Uma corrente alternada flui a partir do conversor através do indutor ou bobina de trabalho e produz um campo magnético altamente concentrado. A voltagem induzida na peça provoca um fluxo de corrente. O aquecimento é causado devido à resistência da peça ao fluxo da corrente induzida. Correntes de alta freqüência são utilizadas quando se deseja camadas endurecidas finas e freqüências intermediárias ou baixas quando as camadas devem ser mais espessas

106 A espessura da camada endurecida depende da forma da bobina, do espaço entre a bobina de indução e a superfície da peça, da taxa de alimentação da força, da freqüência e do tempo de aquecimento. A alta velocidade aquecimento da superfície a alta velocidade da têmpera ajuda evitar a distorção dimensional causada pelas tensões internas. O centro da peça mantém sua propriedades iniciais. Este fato possibilita a substituição de aços liga por aços carbono tratados por este método de endurecimento superficial. A têmpera superficial é aplicada para aços liga somente nos casos quando se exige alta resistência mecânica do centro da peça.

107 Bobinas de indução de alta frequência, constituídos de tubos de cobre comercial, no interior dos quais flui água para seu resfriamento. Os diâmetros desses tubos variam de 1/8 para baixa potência a 3/16 para unidades de 20 a 50 kw.

108 Dentes de engrenagem temperadas por indução

109 Tratamento térmico por feixe de elétrons O tratamento térmico por feixe de elétrons é um processo seletivo de endurecimento, em que a superfície de uma liga de ferro endurecível é aquecida rapidamente acima da temperatura de transformação da liga, através do bombardeamento ou colisão direta de uma corrente de elétrons acelerados. No final do ciclo de aquecimento, entre 0,5 e 2,5 s, o fluxo de elétrons é parado inesperadamente para permitir que a região trabalhada resfrie, formando uma estrutura martensítica. No tratamento térmico com feixe de elétrons, um feixe altamente concentrado de elétrons, com alta velocidade é usado para áreas de aquecimento seletivo. O feixe é extremamente energizado pela aceleração entre os catodos e os anodos. O feixe concentrado é controlado através de uma bobina de foco. Durante o tratamento na câmara é necessário manter alto vácuo ( 10-2 torr), para possibilitar a emissão e aceleração dos elétrons, bem como proteger o emissor das oxidações.

110 No tratamento térmico por feixe de elétrons a energia cinética dos elétrons é transformada para o aquecimento da peça no momento do impacto dos elétrons na superfície da mesma. Com a ajuda de oscilação de alta velocidade e com o controle digital o feixe de elétrons pode varrer a superfície de forma determinada possibilitando endurecimento superficial em áreas minúsculas e em peças com paredes finas e em peças com formas complexas. Equipamento de tratamento por feixe de elétrons com controle digital

111 Tratamento térmico por LASER O endurecimento superficial por laser utiliza um feixe de laser de alta energia e bem definido como fonte de calor. Quando o feixe de laser atinge a superfície, parte da energia é absorvida na forma de calor. Se a densidade da força do feixe de laser é suficientemente alta, o calor pode ser gerado na superfície mais rapidamente do que a condução de calor ao interior pode removê-lo, e a temperatura na camada de superfície aumentará rapidamente. Em um tempo muito curto, uma camada fina da superfície terá alcançado a temperatura de austenitização, enquanto o interior do componente ou da peça estará frio. A concentração da energia é tipicamente entre 1000 e 2000 W/cm2 e o gradiente da temperatura obtido 500 C/mm.

112 Movendo o feixe de laser sobre a superfície do componente ou peça, um ponto na superfície dentro do trajeto do feixe é aquecido rapidamente enquanto o feixe passa. Esta área é subseqüentemente resfriada rapidamente pela condução do calor ao interior depois que o feixe passou. Selecionando a força de densidade e a velocidade correta do ponto do laser, o material pode endurecer até a profundidade desejada. Esta profundidade resultante depende da resposta ao endurecimento do material, mas será raramente maior do que 2,5 mm. Para aço de baixo carbono a profundidade é menor, em torno de 0,25, para aço de médio carbono em torno de 1,3 mm. Para formar uma camada superficial de martensita, o metal deve ser aquecido a ~900 C ( em caso de aços liga até temperaturas mais altas).

113 Tratamento superficial de uma peça por laser e a microestrutura da trilha da passagem do feixe

114 TRATAMENTOS TERMO-QUÍMICOS

115 Os tratamentos termo-químicos também visam o endurecimento superficial dos aços. Neste caso, o endurecimento da superfície não resulta de uma simples transformação da austenita TRATAMENTOS em martensita. Ocorrem reações químicas entre elementos contidos no ambiente onde os tratamentos são executados e os elementos do aço. Esses meios podem ser sólidos, líquidos ou gasosos. SUPERFICIAIS

116 CEMENTAÇÃO

117 CEMENTAÇÃO Processo clássico, mais conhecido e aplicado, porque permite o emprego dos três meios citados. Na cementação (ou carburização), o elemento fundamental é o carbono, na forma de carvão, monóxido de carbono ou contido em banhos de cianeto. Os aços a serem cementados devem possuir carbono baixo, de modo que, quando aquecidos a elevadas temperaturas (de austenitização), na presença de um meio carbonetante, o carbono desse meio reage com o ferro do aço, de acordo com a reação: C + 3 Fe Fe3C A superfície do aço fica endurecida de carbono, até profundidade que pode ser preestabelecida, permitindo a têmpera posterior. Os processos usuais de cementação permitem elevar o teor de carbono da superfície do aço a valores da ordem de 0,8 a 1%.

118 CEMENTAÇÃO A profundidade de cementação depende da temperatura e do tempo à temperatura, pois tanto temperaturas mais elevadas como tempos mais longos facilitam a difusão do carbono para o interior do aço. No entanto, temperaturas elevadas podem levar a excessivo crescimento de grão, o que pode ser atenuado pela adição de elementos de liga inibidores do crescimento de grão, como Al, Ti ou Nb. Outros fatores, além da temperatura e do tempo, influem na velocidade de enriquecimento superficial de carbono: -Teor inicial de carbono do aço, o qual quanto menor, maior a velocidade de carbonetação - Coeficiente de difusão do carbono no aço. - Natureza do agente carbonetante (CO e CH4). O poder carbonetante destes gases difere pouco na prática. - Velocidade de fluxo de gás que pode influir na velocidade de reação da superfície e pode ocasionar a formação de excessiva quantidade de carbono livre, na forma de fuligem, na superfície do aço, provocando perda de controle do potencial de carbono e cementação pouco uniforme.

119 CEMENTAÇÃO

120 CEMENTAÇÃO Aços para cementar Primeiro requisito é baixo carbono, geralmente se usam aços com teor de carbono até 0,2%, porque a difusão de carbono é mais rápida e porque núcleo de baixo carbono significa tenacidade e resistência ao choque. O aço deve ter um baixo teor de manganês (menos de 0,4%), porque esse elemento atribui uma característica de fragilidade na camada cementada. O alumínio, vanádio e silício também devem ser encontrados em baixa quantidade pois podem provocar a grafitização do carbono. O níquel é utilizado em teores de até 5% para aumentar a temperabilidade. O cromo aumenta a velocidade de cementação. Os aços para cementação devem possuir preferivelmente uma granulação fina que exigem normalmente uma única operação de têmpera que pode ser realizada diretamente da temperatura de cementação.

121 CEMENTAÇÃO EM CAIXA A cementação foi primeiramente realizada utilizando-se o método "cementação em caixa" (pack), onde as peças eram seladas em uma caixa metálica resistente ao calor preenchida com misturas carburizantes. A mistura mais usada é formada por carvão vegetal e/ou coque com a adição de 5-10% de catalisador (BaCO3 ou Na2Co3) e aglomerador ( 5-10 % de óleo de linhaça) para formar peletes. Em temperaturas elevadas o monóxido de carbono liberado pelo material fornece o carbono para o aço: C + O2 CO2 C + CO2 2CO 2CO + 3Fe Fe3C + CO2 C + CO2 2CO A reação entre o CO e Fe depende da relação CO : CO2. A cementação ocorre por absorção e difusão do carbono pela parte metálica. Quanto mais alta a temperatura, mais rápido ocorrerá o fenômeno da cementação (temperatura na faixa de 900ºC a 950ºC). Na cementação em caixa a relação CO : CO2 para o aumento do teor de carbono é melhorada pela adição de catalizadores (carbonato de bário).

122 CEMENTAÇÃO EM CAIXA O cemento é formado por uma camada bem socada de aproximadamente 2 cm de espessura no fundo da caixa. Sobre essa camada são colocadas as peças a serem cementadas com uma distância de 2 cm entre elas. Cobrem-se as peças com uma camada da mesma espessura de cemento socado. Tampa-se a caixa com uma tampa e leva-se ao forno ( de 850ºC a 1000ºC). Deixa-se no forno o tempo necessário para se obter a espessura da camada cementada que se deseja. Alguns incovenientes da cementação em caixa são: - não é possível a têmpera direta, consumo mais elevado de energia (aquecendo as caixas), - necessita de muita mão de obra para preencher a caixa, - irregularidades de distribuição da temperatura. As vantagens incluem a simplicidade e a aplicação econômica para lotes pequenos e peças grandes, possibilidade de usinagem após a cementação.

123 CEMENTAÇÃO GASOSA Na cementação gasosa a camada superficial da peça é envolvida em um meio gasoso, e aquecida durante um certo tempo a uma determinada temperatura. A temperatura permite a transferência dos átomos de carbono para a superfície da peça, que é processada por reações químicas. Dá-se ainda a difusão do carbono para o interior da peça, que consiste, portanto, numa migração dos átomos de carbono. Os agentes carbonetantes são monóxido de carbono CO e os gases metano CH4, etano C2H6 e propano C3H6. As reações que produzem carbono para cementação podem ser resumidas: CO + H2 (C) + H2O 2CO (C) + CO2 CH4 (C) + 2 H2 C2H6 (C) + xch4 + yh2 C3H8 (C) + xc2h6 + yc2h4 + 2 H2

124 CEMENTAÇÃO GASOSA Os gases mais empregados são gás natural, gás fabricado e propano. Uma prática comercial é utilizar um gás endotérmico, contendo cerca de 40% de N2, 21% de CO e 39% de H2 enriquecido com um dos gases derivados de hidrocarbonetos. O emprego dos hidrocarbonetos puros causam um depósito de fuligem que atrasam a reação de cementação e é por isso que se utilizam gases diluentes como o hidrogênio, nitrogênio, etc. O teor de metano após a adição ao gás endotérmico é tipicamente em torno de 1%. O sucesso da cementação a gás depende de três variáveis principais: temperatura, tempo e composição da atmosfera.

125 CEMENTAÇÃO GASOSA Temperatura. O enriquecimento da superfície do aço é limitado pela taxa de difusão do carbono na austenita, esta taxa cresce com o aumento da temperatura. Essa temperatura garante um processo suficientemente rápido sem a deterioração exagerada do equipamento usado. É importante a uniformidade da temperatura na peça inteira para garantir uma camada de difusão uniforme. A uniformidade da temperatura pode ser obtida primeiramente com um controle cuidadoso dos parâmetros do aquecimento e permanência no forno. Tempo. A espessura da camada cementada depende tanto da temperatura como do tempo. A formula de Harris possibilita o cálculo da espessura da camada cementada em função da temperatura e do tempo: E.C.C. = 660.e -8287/T. t 1/2, onde: ECC espessura da camada cementada em mm, T - temperatura em Kelvins, t tempo em horas.

126 CEMENTAÇÃO GASOSA Em caso de peças grandes o tempo de aquecimento pode representar uma porção significante do tempo do processo. Deve-se levar em consideração o tempo necessário para o resfriamento a partir da temperatura de cementação para a temperatura de têmpera que é mais baixa : 845 C. Durante este resfriamento o crescimento da camada continua, mas com uma taxa mais baixa. Caso isso não seja desejado é possível mudar a composição da atmosfera diminuindo o seu potencial de carbono. Composição da atmosfera. A eficiência da atmosfera é dada pelo potencial de carbono, que depende da taxa de adição do metano ao gás endotérmico, e também da taxa do fluxo do próprio gás endotérmico. O acompanhamento da composição da atmosfera se realiza pela medida do teor de dióxido de carbono e do vapor de água, que fornecem uma informação sobre o potencial de carbono.

127 CEMENTAÇÃO GASOSA O processo de cementação a gás é mais oneroso e exige controle mais rigoroso que a cementação sólida. Algumas vantagens desse processo: -Permite a cementação de peças mais delicadas, além de ter o teor de carbono e espessura da camada cementada mais uniforme. - Permite têmpera direta - Apresenta maior velocidade de penetração de carbono - Previne a oxidação das peças, pois os gases empregados são protetores Algumas desvantagens: - dificuldade de controle da atmosfera dentro de certos limites, - mão de obra mais especializada.

128 CEMENTAÇÃO LÍQUIDA Neste processo o meio carburizante é um sal a base de cianeto (NaCN). Outros constituintes são: BaCl2, KCl, NaCl. Esse banhos podem ser ativados por adição de carbono, grafite e fluoretos, óxido de boro, MnO2. A composição dos banhos usados depende da temperatura da cementação, que neste caso pode ser em duas faixas: C para camadas mais finas e de C para camadas mais grossas (0,5-3mm). As reações são complexas, alguns parciais : 2NaCN + BaCl2 2NaCl + Ba(CN)2 Ba(CN)2 + Fe (C) + BaCN2 2CO + Fe C (no Fe) + C O2 Fe +C C (no Fe) A cementação líquida é feita em fornos de banho de sal.

129 CEMENTAÇÃO LÍQUIDA Após o processo do banho, mergulha-se a peça em óleo para evitar oxidação. Vantagens do processo: - economia do tempo de aquecimento, - distribuição uniforme da temperatura, - as peças podem ser retiradas do banho e serem temperadas imediatamente. Desvantagens do processo: - alto custo dos sais, - perigo no manuseio das peças. Como alternativa existe a possibilidade de cementação em líquido sem cianeto, neste caso a mistura de sais é formada por carbonetos de metais alcalinos com carbono finamente disperso no banho. As temperaturas empregadas são na faixa de C.

130 NITRETAÇÃO

131 NITRETAÇÃO O raio atômico do nitrogênio é 50% do raio atômico do ferro e em torno de 8% menor do que o raio atômico do carbono. Isso possibilita a inclusão do nitrogênio atômico na posição intersticial da rede cristalina do ferro. Nitretação é um tratamento termoquímico superficial onde o nitrogênio é introduzido na fase α (ferrita) em temperaturas entre C (o nitrogênio apresenta maior solubilidade do que o carbono). Consequentemente, não ocorre mudança de fase quando o aço é resfriado até a temperatura ambiente. Objetivo: Aumentar a dureza e a resistência ao desgaste mantendo o núcleo dútil e tenaz.

132 NITRETAÇÃO Propriedades dos aços Nitretados Alta dureza superficial com aumento da resistência ao desgaste e com pouco risco de descamação. Alta resistência à fadiga formação de forças compressíveis na superfície do aço. Melhora da resistência à corrosão em aços não inoxidáveis. Elevada estabilidade dimensional. Sem risco de empenamento.

133 NITRETAÇÃO Temperatura de Nitretação: C limite superior pré-requisito para que não ocorra transformação de fase limite inferior requerimento para que ocorra dissociação da amônia Reação de Nitretação: Amônia em contato com a superfície aquecida do aço se dissocia: 2NH3 2N Fe + 3 H2 O nitrogênio na forma atômica pode ser absorvido pelo aço. Na superfície ao atingir um determinado nível de saturação de nitrogênio, nitretos são formados através do mecanismo de nucleação e crescimento. O nitrogênio forma nitretos com os elementos como alumínio, silício titânio, vanádio, cromo, molibdênio e ferro. Os nitretos são fases duras e precipitam na matriz de ferro resultando em alta dureza.

134 NITRETAÇÃO Aços que contem estes elementos de liga são usados para a nitretação: aços baixa liga com alumínio (0,24-0,42 % de C, 1 % de Al) aços de baixa liga de médio carbono que contém cromo aços para ferramentas de trabalho ao quente com 5% de cromo alguns aços inox ferríticos, martensíticos e austeníticos aços inox endurecíveis por precipitação.

135 NITRETAÇÃO GASOSA É o mais clássico dos processos de nitretação. Reação em contato com o aço a amônia se dissocia liberando nitrogênio atômico, que pode ser absorvido pelo aço e dissolvido intersticialmente no Fe. Quando a superfície atinge um determinado nível de saturação, nitretos são formados através do mecanismo de nucleação e crescimento, requerendo um determinado tempo de incubação. 2NH3 2N + 3H2 A difusão do nitrogênio na nitretação é lenta e em geral no processo industrial exige tempos entre 48 e 72 horas. Mesmo com tempos longos a espessura da camada nitretada dificilmente ultrapassa 0,8mm. Microestrutura do aço AISI 1015 Nitretação gasosa

136 NITRETAÇÃO GASOSA As peças devem ser limpas (sem óleo e oxidação) colocadas em caixas especiais, feitas de níquel e cromo. O processo de nitretação a gás pode ser realizada em estágio único ou em estágio duplo. Em estágio único a carga de forno é aquecida na faixa de C com uma taxa de dissociação da amônia entre 15 e 30%. Neste processo forma-se na superfície a camada branca dura e frágil. O processo de estágio duplo resulta em camada branca reduzida. No primeiro estágio deste processo os parâmetros são idênticos ao processo anterior exceto pelo tempo, que é mais curto. No segundo estágio o que muda é a taxa de dissociação da amônia, elevada para a faixa entre 65 e 85%. A temperatura pode ser mantida como no primeiro estágio ou pode ser ligeiramente elevada para a faixa entre 550 e 565 C. Antes da nitretação é feito um tratamento térmico de têmpera para que seja obtida boas propriedades no núcleo da peça. A dureza superficial obtida na têmpera não influencia o tratamento da nitretação. Em alguns aços adiciona-se níquel para dar mais ductilidade ao núcleo.

137 NITRETAÇÃO LÍQUIDA Neste processo o meio nitretante é uma mistura de sais fundidos. O banho de sais comercialmente mais empregado consiste de uma mistura de sais de sódio (60-75%) e sais de potássio (30-40%). O principal constituinte nos sais de sódio é o NaCN com adição de pequenas quantidade de Na2CO3 e NaCNO. Nos sais de potássio o KCN, K2CO3 e KCNO são representados na mesma proporção. A temperatura do processo é praticamente igual à temperatura da nitretação a gás, os tempos são freqüentemente menores. À temperatura da nitretação carbono e nitrogênio paralelamente são liberados no banho de sais, porém, somente o nitrogênio é suficientemente ativo a essa temperatura para difundir no ferro formando nitretos. O processo da nitretação líquida pode ser acelerada pela introdução de amônia sob pressão no banho de cianetocianato, resultando em tempos médios nitretação de 24 horas. Outra possibilidade é bombeamento de ar através do banho de sal, estimulando a atividade química pela agitação do banho.

138 Nitretação líquida Microestrutura do aço carbono Nitretação líquida

139 NITRETAÇÃO IÔNICA OU POR PLASMA A nitretação iônica é uma técnica muito utilizada no endurecimento superficial de aços. Ela vem substituindo, com grandes vantagens, técnicas convencionais de nitretação como a nitretação gasosa e a nitretação em banho de sais. A técnica se baseia na interação do plasma com a superfície da peça que se deseja nitretar. Um reator hermeticamente fechado, possuindo em seu interior dois eletrodos, é interligado a uma fonte de tensão d.c. e a um sistema de vácuo. Entre os dois eletrodos é aplicada uma diferença de potencial necessária para gerar plasma (entre 350V-600V). Devido a esta diferença de potencial, elétrons livres são acelerados, colidem com os átomos neutros do gás nitretante, ionizando-os ou excitando-os, formando assim o plasma. A peça a ser nitretada, fixada no ânodo, é revestida pelo plasma. Íons presentes no plasma bombardeiam a superfície da peça, arrancando átomos que reagem com as espécies ativas do plasma e, os produtos dessas reações, são redepositados.

140 Nitretação Iônica ou por Plasma

141 A Camada Nitretada Duas zonas distintas são formadas durante o processo da nitretação. Uma zona mais externa, que consiste de nitretos ε Fe 2-3 (N,C) e/ou '-Fe 4 N, denominada de zona de compostos (ou camada branca) e outra mais interna, consistindo de uma solução sólida de nitrogênio na matriz e precipitados dispersos coerentes ou semi-coerentes, denominada de zona de difusão.

142 A Camada Nitretada Enquanto a zona de compostos forma nitretos muito duros e frágeis, a zona de difusão forma uma região de dureza intermediária que suavizará o perfil de dureza com o substrato. Assim, dependendo da aplicação, tanto as fases superficiais (zona de compostos) como a relação entre as duas zonas podem ser modificadas. A zona de compostos garante alta resistência à corrosão. Por outro lado, zonas de compostos mais espessos do que 20 micrometros podem se destacar da superfície. A espessura, o perfil da dureza e a composição da camada nitretada dependem além dos parâmetros do processo usado também da composição do material nitretado.