Tratamento Térmico dos Ferros Fundidos

Transcrição

1 1.1 - AL Í VI O DE TENSÕES (S T R E SS RELIEVING) Alivio de T ens ões ou Envelhecimento das peças de ferro fundido foi, durante muito tempo, executado de modo natur al, ou seja, as peças fundidas eram deixadas ao r elento dur ante mes es, para depois serem usinadas e pos tas em serviço. Acreditava-se, com isso, que as tensões internas eram eliminadas. Contudo, estudos mostraram que apenas 10% das tensões eram aliviadas por envelhecimento natur al e os riscos de empenamento, após as peças montadas nos respectivos equipamentos, continuavam. A técnica moder na cons is te em aplicar o pr ocesso de envelhecimento ar tificial que é o verdadeiro tratamento de alívio de tens ões : as peças são aquecidas a temper aturas elevadas, porém abaixo da temper atura de trans for mação (par a evitar mudanças estruturais), durante tempo deter minado. Normalmente s ão r ecomendados 24 minutos mais 24 minutos por centímetro de s eção. A maior plasticidade que o metal adquire às temperaturas mais elevadas, ou seja, a maior fluência é o fator essencial para que as tensões sejam aliviadas. As figuras 1 e 2 mostram os efeitos da temper atura e do tempo s obr e a quantidade de tens ões aliviadas. Fig. 1- Efeito da temperatura sobre o total de tensões aliviadas em ferro fundido Fig. 2- Efeito do tempo e da temperatura sobre o total de tensões aliviadas em ferro fundido Ambas as figuras mostram que a temper atura ideal situa-se entre 550ºC e 650ºC. Às temperaturas mais elevadas, basta manter -se as peças durante uma hor a par a ter -se cer ca de 80% das tensões aliviadas, sem que ocorra qualquer transformação es trutur al. Para quas e total eliminação das tensões internas, tempos bem mais longos podem ser necessários, variando de 10 a 48 horas. 1

2 Os ferros fundidos ligados, com baixo teor em ligas (Mo, Cr, Ni, V) exigem temperaturas mais altas, pois esses elementos tendem a aumentar a r es is tência à fluência dos ferros fundidos. A tabela 1 mostra as faixas de temper atur as mais recomendadas para alívio de tens ões de peças de ferro fundido. T abela 1 - Faixas de temper atur as recomendadas para alívio de tens ões de peças de ferros fundidos T ipo de ferro fundido T emper at ur a par a alívio de tensões S em elementos de liga ºC De baixo teor de liga ºC De alto teor de liga ºC Na oper ação de alívio de tens ões de peças de ferro fundido, alguns cuidados devem ser tomados: A temper atur a do for no, ao s er em as peças carregadas, não deve s er superiores a 200ºC, de modo a evitar-se choque tér mico; Embora as temperaturas empregadas não s ej am muito elevadas, é r ecomendável que o resfriamento pos ter ior ao aquecimento s ej a muito lento (no inter ior do pr ópr io for no) no máximo 50ºC / hora, até cer ca de 300ºC ou, se as peças forem de for ma complex a, até cerca de 100ºC, quando então elas poderão s er resfriadas livremente ao ar. Com isso, evita-se o s ur gimento de novas tensões, ocasionadas por um resfriamento mais rápido R E COZ I ME NT O ( ANNEALI NG) T ratamento r ecomendado quando se des ej a obter as máximas usinabilidade e ductilidade, ainda que com sacrifício da r es is tência mecânica. Resulta uma micr oes tr utura compos ta de gr afita e ferrita. Este tratamento tér mico cons is te na elevação da temper atura acima da linha infer ior de transformação ( 723ºC ), quando j á acorre alter ação es trutur al. O tempo de per manência na temperatura de aus tenitização deve s er de 24 minutos mais 24 minutos por centímetro de seção. O r es friamento deve s er lento, não s uper ior a 100ºC / hora durante a faix a de transformação, ou seja, entre 790ºC e 680ºC. O r ecoz imento a temper aturas mais baixas entre 700 a 760ºC é chamado r ecozimento de ferritização, ou seja, nele s e vis a à tr ans for mação per lita em ferrita, de modo a melhor ar a ductilidade e a us inabilidade. Aplica-se a ferros fundidos comuns, ou com baixos teores de elementos de liga. 2

3 O r ecoz imento a temper aturas intermediárias entre 780 a 900ºC é chamado de r ecozimento pleno ou completo. O obj etivo é o mes mo do r ecozimento de ferritização, por ém é aplicado em ferros fundidos com elevados teores de elementos de liga. O r ecoz imento a temper aturas mais altas entre 900 a 950ºC é chamado de r ecozimento grafitizante, ou seja, nele s e vis a à tr ans for mação de car bonetos maciços em grafita e matr iz ferrítica. A figur a 3 mostra os ciclos de r ecozimento par a ferros fundidos (curvas B, B 1 e C), em comparação com o tratamento de alívio de tens ões (curva A) Fig. 3- Ciclos de recozimento recomendados para ferro fundido Fig. 3 Ciclos de recozimento recomendados para ferro fundido 3

4 A tabela 2 indica as práticas recomendadas para r ecoz imento de peças de ferro fundido, com pormenores sobre os tempos, às temperaturas e velocidades de r es fr iamento. T abela 2 - Práticas recomendadas para r ecoz imento de peças de ferro fundido T ipo de r ecoz iment o Objet ivos T emper at ur a ( º C) T empo ( minutos) Velocidade de R es f r iament o Baixa temperatura (ferritização) Para conver s ão de perlita em ferrita em materiais não ligados, de modo a obter -se a máxima us inabilidade e ductilidade. 700 a 760 Média temperatura (pleno) Para conver s ão de perlita em ferrita em materiais que não reagem ao tratamento a baix a temper atura. Para eliminação de pequenas quantidades de car bonetos bem dispersos em materiais não ligados. 815 a minutos + 24 minutos por centímetro de s eção transversal No for no (100ºC / h) até 300ºC. Em seguida r etir ar do forno e r es fr iar ao ar normal. Alta temperatura (grafitização) Para eliminação de carbonetos maciços e conversão de per lita em ferrita 900 a NOR MAL I Z AÇÃO ( NOR MAL I Z I NG) A nor malização dos ferros fundidos visa obter uma matr iz homogênea, com eliminação dos carbonetos maciços, essencialmente per lítica, de gr anulação fina e pr opr iedades correspondentes a uma maior resistência mecânica, aliada a boa tenacidade. O efeito da normalização é mais notável no caso de ferros fundidos ligados. Este tratamento, na etapa de aquecimento, é idêntico ao r ecozimento, ou seja, a temper atura é superior à de trans for mação entre 870 e 950 ºC e o tempo de per manência deve s er no mínimo de 24 minutos + 24 minutos por centímetro de s eção trans ver s al da peça, seguindo-se de r es fr iamento ao ar ou forçado, dependendo da es pessura da peça. A velocidade de r es fr iamento deve s er tal que evite o início da ferritização em torno das grafitas, mas não deve s er tão r ápida que possibilite a for mação de bainita ou martensita. 4

5 Como r egr a empír ica, recomenda-se que s e deve es fr iar de 770 a 700ºC em um espaço de tempo de 1 a 5 minutos, ou seja, algo em torno de 1400º C / h. A figur a 4 apresenta, de for ma es quemática, os diversos ciclos de aquecimento e r es fr iamento empregados para os tratamentos de alivio de tens ões, recozimento e nor malização de ferros fundidos. Fig. 4 Representação es quemática dos ciclos de alívio de tens ões, recozimento e nor malização dos ferros fundidos A tabela 3 indica as práticas recomendadas para nor malização de peças de ferro fundido, com pormenores sobre os tempos, às temperaturas e velocidades de r es fr iamento. T abela 3 - Práticas recomendadas para nor malização de peças de ferro fundido T ipo de T r at ament o Normalização Objet ivos Para eliminação de carbonetos maciços com retenção da perlita par a gar antir resistência mecânica e dureza T emper at ur a ( º C) 870 a 950 T empo ( minutos) 24 minutos a 70 minutos+ 24 minutos por centímetro de s eção transversal Velocidade de R es f r iament o No ar normal ou forçado até 480ºC. 5

6 1.4 - T Ê MP E R A E R E VE NI DO ( H AR DE NI NG AND TEMPERING) A es trutur a do ferro fundido é muito s emelhante à dos aços, a não s er pela pr es ença de car bono livre na for ma gr afita, que quebr a a continuidade da matr iz e confer e ao mater ial melhor usinabilidade. O fato de a matr iz estrutural ser semelhante dos aços confere ainda aos ferros fundidos características de endur ecimento por têmpera, contudo, nos ferros fundidos, os teores de s ilício e car bono s ão mais altos, necessitando de temper atur as de aus tenitização mais elevadas, bem como tempos mais longos, para que haj a dissolução do car bono na aus tenita. Algumas observações podem ser feitas nesse s entido: 1) Ferros fundidos de es trutur a inteir amente per lítica r eagem melhor à têmper a do que os com estrutura ferrítica; neles, em tempo mais curto a uma cer ta temper atura de aquecimento, consegue-se uma es tr utura aus tenítica, a qual, ao s er resfriada em óleo, por exemplo, resulta em uma es tr utura final de maior dureza; 2) O ferro fundido com matriz ferrítica, para boa r eação à têmper a, exige tempo mais longo à temperatura, para per mitir a dissolução do car bono livre (gr afita) na aus tenita; 3) Na pr ática, as peças de ferro fundido a s er em temperadas, devem ser austenitizadas a temperaturas 25º a 65ºC aci ma da temper atura s uper ior de trans formação, durante 8 a 24 minutos por centímetro de es pessura de s eção, dependendo de s ua compos ição e microestrutura inicial; 4) O aquecimento deve s er gradual (cerca de 100ºC / h), através da faix a mais baixa de temperatura, de modo a minimiz ar as tensões térmicas e a possibilidade de fissuração; 5) Se o aquecimento, em função do tipo de mater ial e do tipo de peça, tiver que s er prolongado ou quando as superfícies tiverem que s er protegidas de ox idação e des car bonetação, recomenda-se o empr ego de banhos de s al ou fornos com atmosfera contr olada; 6) O r es friamento na têmper a é, em geral, em óleo ou ar; este último é empr egado quando os ferros fundidos forem altamente ligados; não r ecomenda-se a água como meio de r es fr iamento, porque ela é cons ider ada um meio muito dr ás tico par a os ferros fundidos, podendo caus ar empenamento ou fissuração. Contudo, o choque tér mico nesse meio pode s er atenuado colocando-se uma camada de óleo na s uper fície; 7) O meio deve s er bem agitado e, após o r es fr iamento, as peças devem ser imediatamente submetidas à oper ação de r evenido; prefere-se leva-las ao r evenido antes que tenham resfriado abaixo de 150ºC. Em resumo, o obj etivo da têmper a é aumentar a durez a e a r es is tência mecânica e, em conseqüência, a r es is tência ao des gas te. Admite-se que a têmper a aumenta a r es is tência ao desgaste de um ferro fundido cinzento per lítico em até 5 vezes. 6

7 O r evenido é levado a efeito a temper aturas de acor do com a durez a final desejada, durante tempos, os quais, por razões práticas são mantidos os mais curtos possíveis. Contudo, peças de formas complexas, com grandes diferenças de es pessura nas várias seções não podem ser aquecidas muito r apidamente, de modo que, nesses casos, recomenda-se mantê-las durante tempos mais longos a temper aturas mais baixas. A faixa de temper atur as varia de 180º a 650º C O r es friamento, após o r evenido, deve s er lento, sobretudo quando s e empr ega no aquecimento as temperaturas mais elevadas. Essa técnica diminui as tensões residuais em peças de for ma complexas. Exemplos típicos de ciclos de têmper a e r evenido par a ferros fundidos cinzentos estão indicados na tabela 4. T abela 4 - Ciclos de têmper a e r evenido par a ferros fundidos cinzentos Objet ivo Máxima dureza Ótima r es is tência e tenacidade T emper at ur a e tempo de aus t enit iz ação Pré-aquecimento a 650ºC; aquecimento a 870ºC; 24 minutos por centímetro de s eção R es f r iament o Ciclo de r evenido 205ºC, uma hor a; resfriamento em ar Até 120ºC em óleo tranqüilo agitado 400ºC, uma hor a; resfriamento em ar tranqüilo A figur a 5 mostra a tendência de queda da durez a e o compor tamento da r es is tência à tr ação e ao choque em função da temper atura de r evenido. Fig. 5 Efeito da temperatura de revenido sobre as propriedades mecânicas de ferro fundido baixo Si temperado em óleo a partir de 870ºC. 7

8 Como s e vê, o r evenido melhor a a r es is tência à tr ação e a tenacidade na faix a de temper atur a entre 200º a 400º/450ºC. As propriedades de fadiga não s ofr em apreciáveis melhora. Em ferros fundidos nodulares, o tratamento de têmper a e r evenido é lar gamente aplicado, resultando em excelente r es is tência mecânica e dur eza. A tabela 5 mostra os ciclos de têmpera e r evenido de ferros fundidos nodulares. T abela 5 - Ciclos de têmper a e r evenido par a ferros fundidos nodulares Objet ivo Para obter o tipo Para obter o tipo Alternativa par a o tipo Preparo do ferro para têmper a superficial T emper at ur a e tempo de aus t enit iz ação 900ºC; 24 minutos por centímetro de s eção R es f r iament o Em óleo agitado por 10 minutos Ao ar Em óleo agitado por 10 minutos Ciclo de r evenido 480ºC, 2 horas; resfriamento no for no até 340ºC; resfriamento ao ar. 565ºC, 2 horas; resfriamento no for no até 340ºC; resfriamento ao ar. Resfriamento ao ar até 340ºC 650ºC, 2 horas; resfriamento no for no até 340ºC; resfriamento ao ar. Nota: A temper atur a do óleo deve s er controlada na faix a de 40º a 65ºC A figur a 6 mostra o efeito da temper atura de aus tenitização na durez a de ferro fundido nodular no es tado temper ado. 8

9 Nota-se que as máximas durezas foram obtidas na faix a de temper atur a de aus tenitização entre 840º a 870ºC, acima de 925ºC, a durez a decr es ceu pela quantidade de aus tenita que r es ultou no material. A figur a 7 mostra a influência da temper atura de r evenido s obr e as propriedades mecânicas de ferro fundido nodular temperado a 870ºC e r evenido dur ante duas horas. Os dados que permitiram traçar as curvas da figura for am obtidos em amostras de quatro corridas que produziram ferro nodular dentro da s eguinte faix a de compos ição: E lement o % Carbono (C) 3,25 a 3,68 S ilício (S i) 2,28 a 2,53 Fósforo (P) 0,02 a 0,04 Manganês (Mn) 0,22 a 0,41 Níquel (Ni) 0,69 a 0,99 Magnesio (Mg) 0,045 a 0,065 Fig. 7 Efeito da temperatura de revenido sobre as propriedades mecânicas de ferro fundido nodular temperado 9

10 1.5 - AU S T Ê MP E R A (AU S T E MP E R I NG) T ratamento is otér mico compos to de aquecimento até a temper atura de aus tenitização, permanência nes ta temper atura até completa equalização, resfriamento r ápido até a faix a de formação da bainita, permanência nes ta temper atura até completa tr ans for mação da aus tenita em bainita e r es fr iamento qualquer até a temper atura ambiente. A aplicação desse tratamento, também denominado têmper a a quente, confere aos ferros fundidos nodulares (ADI ) uma ex celente combinação de pr opr iedades de r es is tência e ductilidade, permitindo s ua aplicação onde tradicionalmente s e us avam aços forjados ou fundidos. O efeito dos elementos de liga é mais ou menos semelhante ao que ocorre nos aços e dependendo da temper atura de trans for mação pode-se obter : Bainita I nfer ior Quando a temper atura é pr óx ima à for mação inicial de mar tens ita (em torno de 205 C). Nesse cas o, os ferros dúcteis apresentam alta durez a, superior a 400 HB e elevada r es is tência mecânica. Tais propriedades são des ej áveis, por exemplo, em engrenagens e outras aplicações que ex igem resistência a altas tensões de contato; Bainita S uper ior Quando a tr ans for mação s e dá logo abaixo do cotovelo da curva em C (em torno de 400 C). Os ferros fundidos nodulares austemperados nessas condições apresentam dureza entr e 260 e 350 HB. São dúcteis e tenazes, com boa r es is tência à fadiga e ao des gas te. São r azoavelmente us ináveis e entre as aplicações importantes podem-se mencionar os virabrequins. A tabela 6 mostra as classes de ADI classificados conforme nor ma AS T M A 897. T ab. 6 Classes de ADI AS T M A 897 Classe R es is t ência à T r ação ( MP a) R es is t ência ao E s coament o ( MP a) Alongament o ( % ) R es is t ência ao I mpacto ( J) Dur ez a ( H B ) NA NA Nos ferros nodulares, a r eação bainítica é mais lenta que nos aços, o que deve s er levado em conta ao r ealizar-se a oper ação de aus têmper a. 10

11 Outro fator importante é a temper atura de aus tenitização. Esta es tá ger almente localizada entr e 815 a 925 C. Quanto mais alta a temper atura, maior a s olução do car bono na aus tenita, o que pode pr ovocar, no final, maior quantidade de aus tenita r etida. Ocorre também um crescimento de gr ão da aus tenita, a que aumenta a endurecibilidade do mater ial. Fig. 8 Diagrama esquemático de transformação isotérmica Para um ferro fundido Por outro lado, a pr es ença de elementos de liga afeta o teor de car bono na aus tenita, pois eles influem na s olubilidade do car bono. Silício, por exemplo, reduz a s olubilidade que, ao contrár io, é aumentada pela pr es ença de manganês, cromo e molibdênio. 11

12 1.6 T Ê MP E R A S UP ER FI CI AL (SURFACE HAR DE NI NG) A têmper a s uper ficial é uma técnica de endur ecimento utilizada em aços e ferros fundidos que confere ao mater ial tratado uma alta durez a em toda a s ua s uper fície, ou, conforme s e cons ider e conveniente, em regiões localizadas. O obj etivo por tanto é de, em se obtendo altas durezas, aumentar a r es is tência à abr as ão e, devido às tensões residuais criadas pelo tratamento tér mico, aumentar também a r es is tência à fadiga. Este tratamento tér mico encontra aplicação em peças tais como, engrenagens, girabrequins, eixo comando de válvula, cilindro de laminação, suportes de mola, garfos de trans missão. Algumas das vantagens da têmper a s uper ficial sobre a têmper a plena s ão as seguintes: Equipamentos mais simples, possibilitando o tratamento em peças dos mais diversos tamanhos e geometrias ; Possibilidade de r ealizar o endur ecimento em regiões localizadas; Menor consumo de ener gia vis to que s omente par te da peça é aquecida; Menores distorções dimensionais. Os processos de aquecimento mais comumente utilizados são os de aquecimento por chama e por indução, sendo também citados como alter nativa par a os processos convencionais o aquecimento por imersão em metal líquido e o aquecimento por laser e aquecimento s olar. O pr ocesso de têmper a s uperficial consiste no aquecimento de uma deter minada camada superficial, que s er á s ubmetida a es for ços ou desgaste, em temperatura s uficiente par a a obtenção de es trutur a aus tenítica, seguido de r es fr iamento br us co, normalmente r ealizado em água, para a tr ans for mação da camada aus tenítica em martensita. A pr ofundidade da camada tr ans for mada pode var iar de 0,5 a 4,0 mm, dependendo da técnica empregada, podendo atingir valores de dur eza da or dem de 60 HRC. A figur a 1 apresenta as distribuições típicas de temper atur a e dur eza em peça cilíndrica endurecida s uper ficialmente. Nota-se que apenas uma pequena camada s uper ficial atinge temper atur a s uper ior a A 3 (limite superior da z ona cr ítica acima da qual a es tr utura apr es enta-se totalmente aus tenítica, podendo ainda conter carbonetos estáveis) existindo também uma r egião inter mediár ia que per manece dentro da z ona cr ítica, onde coex is tem austenita + ferrita + carbonetos, e uma z ona centr al onde não ocorrem transformações de fas e. 12

13 A pr es ença da camada mar tens ítica, além de confer ir alta durez a superficial, ainda pr opor ciona tensões residuais de compr essão na s uper fície do componente tratado ter micamente. A ger ação dessas tensões residuais deve-se à tendência à ex pans ão volumétrica que ocorre quando da reação mar tens ítica, e à r es tr ição ofer ecida pelo r es tante do mater ial não trans for mado. As tensões de compr esso dificultam a nucleação de trincas na s uper fície tratada, elevando significativamente a r es is tência à fadiga Temperatura A 3 Temperatura A Temperatura C 400 Distribuição de temperatura na peça 40 Dureza HRC HRC Periferia Centro Periferia Fig. 1 Perfil de temperatura antes da têmpera e distribuição de dureza na seção transversal de uma peça cilíndrica temperada superficialmente I nf luência da Micr oes t r ut ur a Um dos requisitos básicos para s e obter um endurecimento s uper ficial satisfatório é que a estrutura, após o aquecimento, seja totalmente aus tenítica. 13

14 Como os processos de aquecimento s ão, em geral, muito r ápidos, a r es posta dos ferros fundidos ao tratamento de têmper a s uper ficial depende bas tante da micr oes tr utura anter ior à r ealização deste tratamento, visto que o tempo de per manência acima da temper atura de trans for mação para s e obter estrutura totalmente aus tenítica é muito cur to. S endo a durez a da mar tens ita dependente do teor de car bono dissolvido na aus tenita, conforme mostra a figura 2, procura-se ter na matr iz metálica, antes do tratamento, a maior quantidade possível de car bono combinado, ou seja, matrizes perlíticas, bainíticas ou martensita r evenida Dureza ( HV ) ,2 0,4 0,2 0,6 0,8 1,0 % Carbono Fig. 2 Efeito do teor de carbono na dureza da martensita I nf luência da Compos ição Química Qualquer que s ej a o pr ocesso s elecionado par a têmper a s uper ficial de um componente, espera-se que par a deter minadas condições de aquecimento (tempo de aquecimento e temper atur a de austenitização) uma camada s uper ficial esteja completamente aus tenitizada, com carbono suficiente em solução s ólida par a, após resfriamento, obter-se uma mar tens ita com a durez a especificada. Para que s e obtenha uma camada s uper ficial totalmente mar tens ítica, a matr iz deve possuir uma determinada temper abilidade, que, entretanto, não pr ecis a s er tão elevada como nos materiais 14

15 submetidos à têmper a plena, uma vez que a velocidade de r es fr iamento é maior devido à extração de calor pelo mater ial não aquecido. Apesar de não s er necessário adicionar elementos de liga par a aumentar a temper abilidade, em alguns casos eles são adicionados para obter mais facilmente es trutur a pr évia totalmente perlítica (S n, Cu, Ni, Cr). Entretanto, a pr es ença de elementos de liga pode r etar dar a austenitização por elevar a z ona cr ítica, necessitando-se tempos mais longos de aquecimento. Além disso, dependendo do elemento de liga presente, pode ocorrer estabilização da aus tenita após têmpera, e, consequentemente, redução nos valores de dur eza na s uper fície do componente tratado ter micamente. Outros elementos cuja pr es ença deve s er controlada em materiais temperados superficialmente são o s ilício e o fós for o, o pr imeir o por estabilizar a ferrita e r eduzir a s olubilidade do Carbono na austenita necessitando-se, portanto, temperaturas mais elevadas para aus tenitiz ação completa da matr iz, e o s egundo por formar compostos eutéticos de baixo ponto de fus ão que podem fundir no aquecimento. γ 15