Tratamentos térmicos dos aços 1 TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS Os tratamentos térmicos empregados em metais ou ligas metálicas, são definidos como qualquer conjunto de operações de aquecimento e resfriamento, sob condições controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de resfriamento, com o objetivo de alterar suas propriedades ou conferir-lhes características pré-determinadas. Os principais objetivos dos tratamentos térmicos dos aços envolvem: Remoção de tensões residuais decorrentes de processos mecânicos de conformação ou térmicos Refino da microestrutura (diminuição do tamanho de grão) Aumento ou diminuição de dureza Aumento ou diminuição da resistência mecânica Aumento da ductilidade Melhoria da usinabilidade Aumento da resistência ao desgaste Melhoria da resistência a corrosão Melhoria da resistência a fluência Modificação de propriedades elétricas e magnéticas Remoção de gases após operações de recobrimento por meio de processos galvânicos (desidrogenação). Tratamentos térmicos Os tratamentos térmicos abordados no curso serão: 1- Alívio de tensões 2- Recozimento 3- Normalização 4- Têmpera 5- Revenimento 6- Austêmpera 7- Martempêra
FATORES QUE AFETAM OS TRATAMENTOS TÉRMICOS Tratamentos térmicos dos aços 2 Taxa de aquecimento De maneira geral os tratamentos térmicos dos aços são realizados em temperaturas dentro do campo austenítico, visando-se a completa austenização do aço. As velocidades ou taxas de aquecimento máximas dependem da condutividade térmica do aço, do tamanho e da forma do componente. Velocidades de aquecimento muito elevadas podem causar distorções ou, até mesmo, trincas, porém, em alguns casos, velocidades muito baixas de aquecimento pode causar crescimento de grão (ex: aços fortemente encruados). Normalmente, as taxas de aquecimento empregadas pela indústria são normalmente determinadas pelos fornos de tratamento, ou seja, os componentes são aquecidos com a taxa imposta pelo equipamento. Valores típicos em fornos de aquecimento resistivo ficam entre 600 e 1200 C /h. Fornos de indução e fornos do tipo banho de sal apresentam taxas mais elevadas. Nestes casos, são recomendados cuidados adicionais no controle da potência dos fornos de indução ou a prática de préaquecimento das peças em fornos tipo banho de sal. Tempo de permanência na temperatura de tratamento O tempo de permanência na temperatura de tratamento é a soma do tempo para a homogeneização da temperatura no componente e o tempo da transformação de fase. Períodos superiores ao descrito, provocam o crescimento do tamanho de grão. O tempo para a homogeneização de temperaturas é calculado por meio de equações de regime de calor transiente (números de Biot e Fourier) e o tempo de transformação em austenita é da ordem de alguns segundos. A literatura normalmente descreve equações empíricas para a determinação do tempo de permanência aplicada em aços de construção mecânica. A equação mais conhecida é: onde: t = 0,5. p eeq t p - tempo de permanência em [h] e eq - espessura equivalente em polegadas [pol]. Para fornos com duas fontes de calor (duas baterias de resistências ou maçaricos em duas paredes) a espessura equivalente é 0,5 da maior espessura do componente em polegadas. Ex. para um componente com espessura de 100mm (~4 polegadas), a espessura equivalente (e eq ) é 2 pol. e o tempo de permanência (t p ) será de 1h. Taxa de resfriamento É o fator mais importante do ciclo térmico pois determina a microestrutura final obtida no tratamento térmico. Atmosfera do forno A presença de oxigênio na atmosfera do forno provoca oxidação do ferro e a descarbonetação da superfície do aço. Este efeito é deletério e começa a se manifestar a partir de 500ºC. Em componentes sem o sobre-metal previsto ou no estado acabado são empregados fornos com atmosferas inertes (á base de N 2 ou Ar) ou levemente redutoras (contendo H 2 ou CO).
Tratamentos térmicos dos aços 3 1-ALÍVIO DE TENSÕES Objetivos: Redução de tensões residuais provenientes dos processos de fabricação ou adquiridas durante serviço. As tensões residuais mais comuns são: Tensões residuais de soldagem Tensões residuais de conformação mecânica (encruamento) Tensões residuais de solidificação (componentes fundidos) Tensões de usinagem (operações de torneamento, fresagem ou retificação) Absorção de hidrogênio durante operações de recobrimento galvânico (fragilização por hidrogênio) Execução do tratamento: O aquecimento é realizado em temperaturas abaixo do limite inferior da zona crítica, sendo comuns temperaturas de até 600ºC. Em componentes temperados e revenidos, o alívio de tensões é realizado em temperaturas abaixo da temperatura empregada para o revenimento. O tempo de permanência varia de 1 até 100h e o resfriamento é retirando-se o componente do forno e deixando este ao ar. ALÍVIO DE TENSÕES NATURAL: Atualmente é muito raro a prática do alívio de tensões natural. Foi muito comum em fundições que dispunham de estoque de fundidos. Consiste em deixar ás intempéries componentes fundidos durante meses ou até anos. Estima-se que seja capaz de eliminar somente 10% a 20% das tensões residuais. DESIDROGENAÇÃO A desidrogenação é um tratamento térmico de alívio de tensão aplicado após operações de recobrimento galvânico visando a remoção de hidrogênio. É realizado em estufa, em temperaturas da ordem de 150 a 250ºC imediatamente após o processo de recobrimento. A maioria dos processos eletroquímicos apresentam quantidades significativas de hidrogênio no estado iônico que difunde-se para o interior do metal pela diferença de concentração de H. A difusão de hidrogênio apresenta diversos efeitos deletérios, que incluem: geração de tensões internas, fragilização e/ou a precipitação de hidretos.
2- RECOZIMENTO Tratamentos térmicos dos aços 4 Objetivos: remover tensões decorrentes de tratamentos mecânicos a frio ou a quente reduzir a dureza aumentar a usinabilidade facilitar o trabalho a frio regularizar a textura bruta de fusão eliminar os efeitos de quaisquer tratamentos térmicos ou mecânico anterior Microestrutura obtida: Perlita grossa (com dureza na faixa de 80 HRB a 20 HRC) + ferrita pró-eutetóide para hipoeutetóides Perlita grossa e cementita pró-eutetóide para aços hipereutetóides Resfriamento: desliga-se o forno e deixa-se que o aço resfrie com a taxa de resfriamento do forno TIPOS DE RECOZIMENTO: 2.1- RECOZIMENTO PLENO - aquecimento acima da zona crítica até a total austenitização seguido de resfriamento lento dentro do forno (resfriamento contínuo com a taxa de resfriamento do forno).
2.2- RECOZIMENTO ISOTÉRMICO OU CRÍTICO Tratamentos térmicos dos aços 5 Aquecimento até a total austenitização, seguido de resfriamento até a temperatura de formação de perlita grossa. Permanência nesta temperatura até transformação (isotérmica) total, seguida de resfriamento rápido até a temperatura ambiente a microestrutura final é mais uniforme que no recozimento pleno, isto é não apresenta variações entre a superfície e o núcleo. ciclo de tratamento é mais rápido e econômico 2.3- RECOZIMENTO PARA ESFEROIDIZAÇÃO A esferoidização tem como objetivo alterar a morfologia da cementita (Fe 3 C) de lamelar para esferoidal. A microestrutura formada pelo recozimento para esferoidização apresenta os valores máximos de ductilidade e usinabilidade e os valores mínimos de resistência para um dado aço. pode-se aquecer a uma temperatura logo acima da zona crítica seguido de resfriamento lento; aquecimento prolongado logo abaixo da zona crítica ou aquecimento e resfriamento alternado acima e abaixo da zona crítica 723ºC Temperatura Tempo
Tratamentos térmicos dos aços 6 Correlação entre as microestruturas obtidas pelos tratamentos de recozimento pleno e recozimento para esferoidização com a dureza e usinabilidade do aço AISI 5160.
Tratamentos térmicos dos aços 7 3- NORMALIZAÇÃO Objetivos: refino de grão e homogeneização de microestruturas de produtos conformados a quente melhoria da usinabilidade refino microestrutural de estruturas brutas de fusão Microestrutura obtida: Perlita fina com dureza na faixa de 30 a 40 HRC + ferrita pró-eutetóide para aços hipoeutetóides e, Perlita fina e cementita pró-eutetóide para aços hipereutetóides Resfriamento: Normalmente o resfriamento é realizado de maneira contínua, retirando-se a peça do forno e deixando-a resfriar ao ar. Tempo