TECNOLOGIA MECÂNICA. Aula 08. Tratamentos Térmicos das Ligas Ferrosas (Parte 2) Tratamentos Termo-Físicos e Termo-Químicos

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1 Aula 08 Tratamentos Térmicos das Ligas Ferrosas (Parte 2) e Termo-Químicos Prof. Me. Dario de Almeida Jané

2 Tratamentos Térmicos Parte 2 - Introdução - - Recozimento - Normalização - Têmpera - Revenido - Tratamentos Termo-Químicos - Cementação - Nitretação - Boretação

3 Tratamentos Térmicos Parte 2 Introdução Como visto anteriormente (Aula 07) os tratamentos térmicos tem por objetivo, alterar a estrutura cristalina natural dos metais (em especial das ligas Ferro-Carbono), e conseqüentemente suas propriedades mecânicas. Dentre tais propriedades mecânicas, podemos citar: Aumento/diminuição da dureza; Aumento da resistência mecânica; Melhora da ductibilidade/usinabilidade; Etc...

4 Tratamentos Térmicos Parte 2 Introdução Usualmente, dois tipos diferentes de tratamentos são utilizados para atingir tais modificações nas estruturas cristalinas e nas propriedades mecânicas: : consistem os processos de aquecimento do material a temperaturas que propiciam mudanças no seu retículo cristalino, permanência durante certo período nestas condições e posterior resfriamento (lento ou rápido). Tratamentos Termo-Químicos: são processos que também envolvem aquecimento do material, porém com adição de elementos externos (ambiente onde o tratamento é executado) que reagindo com os elementos do material, modificam suas características.

5 Tratamentos Térmicos Parte 2 Duas são as considerações iniciais que devem estar bem claras, antes de se realizar a operação de tratamento termo-físico: Quais os objetivos do tratamento????? Quais as modificações estruturais necessárias????? Em função destas considerações, podem ser definidos os seguintes parâmetros: Equipamentos e ferramentas; Condições de aquecimento; Condições de resfriamento; Etc...

6 Tratamentos Térmicos Parte 2 (Aplicados aos Aços) Pode-se então definir os tratamentos Termo-Físicos, como a seqüência de processos, envolvendo: aquecimento (normalmente acima da temperatura de austenitização); manutenção da liga, nesta temperatura, até que sua estrutura cristalina se austenitize de maneira uniforme; resfriamento com velocidade controlada, de modo a obter as microestruturas desejadas. Estes três processos citados (aquecimento, manutenção e resfriamento), são normalmente chamados de FATORES DE INFLUÊNCIA nos tratamentos Termo-Físicos.

7 Tratamentos Térmicos Parte 2 (Aplicados aos Aços) Vale ressaltar, que independente do tipo de tratamento aplicado, todo o processo de alteração das características da liga FeC, estará baseado nas propriedades ALOTRÓPICAS do Ferro em função da temperatura: Ferro δ Ferro γ Ferro α

8 Tratamentos Térmicos Parte 2 (Aplicados aos Aços) Os tratamentos Termo-Físicos estudados serão: Recozimento Normalização Têmpera Revenido ou Revenimento

9 Recozimento (Aplicado aos Aços) O Recozimento de um aço, tem como objetivos: Diminuir a dureza do material, melhorando sua usinabilidade sob o ponto de vista do desgaste da ferramenta de corte; Aliviar as tensões internas, originadas por processos de soldagem, fundição e tratamentos mecânicos à frio (encruamento); Eliminar quaisquer outros tratamentos termo-físicos anteriormente realizados no material.

10 Recozimento (Aplicado aos Aços) O princípio que explica a ação do Recozimento no material está baseado no fato de que quando há uma variação em sua energia de deformação (trabalho aplicado sobre o material) a ponto de deformá-lo plasticamente, parte desta energia (em torno de 10%) fica armazenada no seu retículo cristalino na forma de DISCORDÂNCIAS (imperfeições no retículo). Discordância

11 Recozimento (Aplicado aos Aços) Exemplo de deformação plástica à frio (encruamento): Grãos originais Grãos deformados e alongados

12 Recozimento (Aplicado aos Aços) Essa energia armazenada atua como força capaz de provocar a volta do sistema reticular às condições normais, como estrutura não-deformada, desde que se criem condições capazes de reverter o processo. A barreira energética que impede essa volta, é ultrapassada pelo aquecimento do metal a uma certa temperatura, durante determinado período. Durante este período de exposição à determinada temperatura, há como que um re-arranjo e eliminação dos defeitos cristalinos.

13 Recozimento (Aplicado aos Aços) Existem basicamente três estágios principais no Recozimento: Recuperação ou Alívio de Tensões (Sub-Crítico): Este primeiro estágio é verificado a temperaturas mais baixas (entre 10 e 20 C abaixo da linha A1). Nele ocorre um re-arranjo das discordâncias, de modo a adquirir configurações mais estáveis, embora não haja mudança na quantidade de defeitos (começa a haver diminuição nas tensões internas). Recristalização ou Recozimento Pleno: Neste estágio, imediatamente após a Recuperação, e portanto, a temperaturas mais elevadas (50 C acima da linha A3 para os aços hipoeutetóides e 50 C acima da linha A1 para os hipereutetóides), verifica-se o surgimento de novos cristais de composição e estrutura idênticas aos grãos originais não-deformados.

14 Recozimento (Aplicado aos Aços) TECNOLOGIA MECÂNICA

15 Recozimento (Aplicado aos Aços) Crescimento de Grão: Em temperaturas ainda mais elevadas, os grãos recristalizados tendem a crescer, mediante o mecanismo de absorção por parte de alguns grãos vizinhos. Como os contornos de grãos representam descontinuidades que impedem o deslizamento ou o movimento entre as discordâncias, quanto menor o número de contornos de grãos, menor a resistência a esse movimento, ou seja, granulação fina favorece a resistência mecânica, enquanto que a granulação grosseira diminui a resistência mecânica e dureza, melhorando a plasticidade e usinabilidade do aço.

16 Recozimento (Aplicado aos Aços) O diagrama a seguir, mostra que para a curva de resfriamento no Recozimento, as velocidades de resfriamento indicadas (resfriamento lento no próprio forno) produzem as microestruturas perlita, ou perlita + ferrita, ou perlita + cementita. Ae3 = fim da austenita.

17 Normalização (Aplicada aos Aços) O processo de Normalização de um aço, tem como objetivo: Refinar e homogeneizar a estrutura do aço, conferindo-lhe melhores propriedades que as obtidas no Recozimento. PERLITA FINA

18 Normalização (Aplicada aos Aços) Os princípios que explicam a ação da Normalização no material são os mesmos do Recozimento, com a diferença de que toda a estrutura cristalina do material será austenitizada.

19 Normalização (Aplicada aos Aços) Curva de resfriamento na Normalização, mostrando a formação de perlita fina e as demais microestruturas (ferrita ou cementita). Durante a Normalização, a austenitização é feita totalmente (temperaturas acima de A1 ou Acm) e segue-se um resfriamento ao ar livre (mais rápido que no Recozimento).

20 Têmpera (Aplicada aos Aços) A têmpera, ao contrário do recozimento e da normalização, tem como objetivo a formação de uma fase chamada Martensita, que é dura e frágil. A têmpera caracteriza-se por um resfriamento rápido (alguns segundos) a partir de uma temperatura onde exista 100% (?????) de austenita. O mecanismo de formação dessa microestrutura chamada Martensita é caracterizado pela rapidez com que o processo acontece, sendo que os átomos de carbono não se difundem (migram) para formar a ferrita e a cementita, e são retidos nos interstícios da estrutura CCC produzindo essa nova fase. A solubilidade do Carbono na estrutura CCC é muito baixa, então, os átomos de carbono expandem a célula unitária em uma direção, fazendo com que a martensita assuma a estrutura tetragonal de corpo centrado, e gerando grandes tensões no retículo cristalino.

21 Têmpera (Aplicada aos Aços) Estrutura Martensítica (TCC)

22 Têmpera (Aplicada aos Aços) A têmpera, é composta por um conjunto de três etapas: Aquecimento até a temperatura de austenitização do aço (em torno de 50 C acima da linha A3 para aços hipoeutetóides e 50 C acima da linha A1 para os hipereutetóides). Isto significa que nos hipoeutetóides, toda a ferrita e perlita se transformam em austenita. Já nos aços hipereutetóides, apenas a perlita se austenitizará, enquanto que a cementita continuará existindo (já é uma microestrutura de elevada dureza).

23 Têmpera (Aplicada aos Aços) A permanência do aço na temperatura de austenitização deve ser suficiente para que a superfície e o centro da peça adquiram a mesma temperatura e ocorra a solubilidade completa do carbono na estrutura CFC do ferro. Adota-se na prática, 2 minutos por milímetro de espessura do material.

24 Têmpera (Aplicada aos Aços) O resfriamento na têmpera determina efetivamente a existência da estrutura martensítica no retículo cristalino. Portanto, ela deve ser tal que a curva de resfriamento passe à esquerda do cotovelo da curva C para aquele material.

25 Têmpera (Aplicada aos Aços) Diagrama do tratamento de Têmpera Curva C para um aço eutetóide. A = austenita; P = perlita; B = bainita; M = MARTENSITA.

26 Revenido (Aplicada aos Aços) Como a estrutura natural do material temperado é CCC na temperatura ambiente, e com o resfriamento brusco a mesma ficou distorcida, a concentração de tensões mantém-se elevada, sendo necessária a realização do tratamento de Revenimento para evitar o surgimento de trincas e a elevada fragilidade do material. Revenido ou Revenimento é portanto um tratamento térmico utilizado nos aços para correção de inconvenientes decorrentes da Têmpera como excessiva rigidez (baixa elasticidade) e alta fragilidade (baixa resistência ao choque).

27 Revenido (Aplicada aos Aços) A operação de Revenimento ou Revenido, consiste no reaquecimento da peça temperada a uma temperatura inferior a de austenitização. A temperatura de revenido e o tempo de manutenção desta temperatura influem decisivamente nas propriedades finais obtidas no aço: quanto maior o tempo e/ou a temperatura, maior será a ductilidade e menor sua dureza. A temperatura de revenido normalmente situa-se entre 150 C e 600 C, e o tempo de duração entre 1h e 3h. Todavia, como dito anteriormente, quanto maior a temperatura empregada, mais o revenido tende a reduzir a dureza obtida na têmpera.

28 Revenido (Aplicada aos Aços) Diagrama Curva C, para Têmpera, seguida de Revenimento:

29 Tratamentos Termo-Químicos Tratamentos Termo-Químicos Estes tratamentos visam igualmente o endurecimento superficial dos aços. Contudo, o endurecimento da superfície não é resultado de uma simples transformação da AUSTENITA em MARTENSITA, como acontece na Têmpera. Na verdade, em razão das condições do ambiente onde o processo Termo- Químico está ocorrendo, ocorrem reações entre elementos contidos nesse ambiente e os elementos contidos nos aços. A principal característica deste tipo de tratamento para aumento de dureza superficial, é a possibilidade de manter o núcleo das peças dúcteis, aliando boa resistência ao impacto (tenacidade), com elevada dureza superficial (resistência ao desgaste).

30 Tratamentos Termo-Químicos Cementação Aplica-se a aços com até 0,30% de Carbono; É aplicada em peças como engrenagens, eixos, parafusos, etc, que necessitam aliar elevada dureza superficial com boa tenacidade do núcleo; O aço é colocado em um meio rico em Carbono e aquecido acima da temperatura de austenitização, para dissolver uma quantidade maior de Carbono; A camada cementada dependerá essencialmente do tempo em que a peça estará em contato com o meio cementante; Como o processo se dá por difusão, a camada superficial apresentará maior saturação de Carbono, decrescendo em direção do núcleo da peça.

31 Tratamentos Termo-Químicos Cementação Influência do Tempo e da Temperatura

32 Cementação Exemplo engrenagem TECNOLOGIA MECÂNICA Tratamentos Termo-Químicos

33 Tratamentos Termo-Químicos Cementação Meios Cementantes Tipo de Cementação Sólida (caixa) Líquida (banho em sais fundidos) Gasosa (fornos de atmosfera controlada) Meios Cementantes Carvão vegetal Carvão coque Ativadores Cianetos Gás metano Gás propano

34 Tratamentos Termo-Químicos Nitretação É um tratamento de endurecimento superficial semelhante a cementação, que se caracteriza pela introdução superficial do Nitrogênio no aço até uma certa profundidade; A nitretação é realizada a uma temperatura inferior à de austenitização (entre 500 C e 560 C), em meio líquido ou gasoso. O nitrogênio introduzido na superfície do aço, combina-se com o ferro, formando um camada de nitreto de ferro de elevada dureza. Portanto, nos processos de nitretação, não há modificação no percentual de carbono da camada superficial endurecida.

35 Tratamentos Termo-Químicos Boretação É um processo mais recente entre os tratamentos superficiais nos aços; Consiste no enriquecimento superficial do aço com boro e se efetua em meio sólido de carboneto de boro a uma temperatura de 800 C a 1050 C. O composto formado na superfície da peça boretada é o boreto de ferro, com durezas elevadíssimas. Assim como a nitretação, a boretação não tem influência no percentual de carbono da camada superficial endurecida.