Universidade Estadual do Norte Fluminense Centro de Ciências e Tecnologias Agropecuárias Laboratório de Engenharia Agrícola EAG 3204 Mecânica Aplicada * Tratamentos térmicos 1. Introdução O tratamento térmico é o processo de aquecer e resfriar um aço, visando modificar as suas propriedades. Um tratamento térmico é feito em três fases distintas: aquecimento; manutenção da temperatura; e resfriamento. Existem duas classes de tratamentos térmicos: 1. Os tratamentos que por simples aquecimento e resfriamento, modificam as propriedades de toda a massa do aço, tais como: a) Têmpera b) Revenimento c) Recozimento 2. Os tratamentos que modificam as propriedades somente numa fina camada superficial da peça. Nestes tratamentos térmicos, a peça é aquecida juntamente com produtos químicos e posteriormente resfriada. São estes: a) Cementação b) Nitretação 1.1. Têmpera É o tratamento térmico aplicado aos aços com porcentagem igual ou maior do que 0,4% de carbono. O efeito principal da têmpera num aço é o aumento de dureza. Com a dureza, entretanto, cresce também a fragilidade, que se manifesta através do reduzido alongamento de ruptura e tenacidade, e, com a velocidade de resfriamento, aumentam as distorções térmicas e as tensões internas. A têmpera representa especial importância na fabricação de instrumentos de corte, mancais de rolamentos e molas elásticas. Fases da têmpera: 1ª Fase - Aquecimento A peça é aquecida em forno ou forja (Figura 1), até uma temperatura recomendada. (Por volta de 800ºC para os aços ao carbono). - Manutenção da temperatura Atingida a temperatura desejada esta deve ser mantida por algum tempo a fim de uniformizar o aquecimento em toda a peça. - Resfriamento A peça uniformemente aquecida na temperatura desejada é resfriada em água, óleo ou jato de ar (Figura 1). * Prof. Ricardo Ferreira Garcia garcia@uenf.br CCTA-LEAG
Figura 1 Aquecimento e resfriamento da peça tratada. Observações: 1. A temperatura de aquecimento e o meio de resfriamento são dados em tabelas: Têmpera Material a Temperatura de Temperatura Cor do material Resfriar em Temperar pré-aquecimento de têmpera na têmpera Aço 1040 a 1050 500 o C 830 o C Vermelho Água Aço 1060 a 1080 500 o C 790 o C Vermelho escuro Água ou óleo Aço 1090 500 o C 775 o C Vermelho cereja Água Aço prata 550 o C 800 o C Vermelho escuro Água Aço para molas 600 o C 875 o C Vermelho claro Água Aço rápido 550 a 900 o C 1300 o C Branco Água 2. O controle da temperatura durante o aquecimento, nos fornos, é feito por aparelhos denominados pirômetros. Nas forjas o mecânico identifica a temperatura pela cor do material aquecido. 3. De início o aquecimento deve ser lento, (pré-aquecimento), afim de não provocar defeitos na peça. 4. A manutenção da temperatura varia de acordo com a forma da peça; o tempo nesta fase não deve ser além do necessário. 5. Reduz-se a fragilidade de um aço temperado com um outro tratamento térmico denominado revenimento. 1.2. Revenimento É o tratamento térmico que se faz nos aços já temperados, com a finalidade de diminuir a sua fragilidade e dureza, isto é, torná-lo menos quebradiço, aumentando consideravelmente a sua resistência aos choques. Tem como finalidade aliviar as tensões internas oriundas da têmpera e recuperar a tenacidade, mantendo a dureza para condições específicas. O revenimento é feito aquecendo-se a peça temperada até uma certa temperatura resfriando-a em seguida. As temperaturas de revenimento são encontradas em tabelas e para os aços ao carbono variam entre 210ºC e 320ºC. Geralmente, toda peça temperada passa por um revenimento, sendo até comum dizer-se peça temperada ao invés de peça temperada e revenida. Fases do Revenimento 1ª Fase: - Aquecimento Feito geralmente em fornos controlando-se a temperatura com pirômetro. Nos pequenos trabalhos, o aquecimento pode ser feito apoiando-se a peça polida, em um bloco de aço aquecido ao rubro. O forte calor que desprende do bloco aquece lentamente a peça, produzindo nesta uma coloração que varia à medida que a temperatura aumenta. Essas cores, que possibilitam identificar a temperatura da peça, são denominadas cores de revenimento (Quadro 1).
Quadro 1 Cores de revenimento Cor Temperatura ( o C) Cor Temperatura ( o C) Amarelo claro 210 Castanho vermelho 270 Amarelo palha 220 Violeta 280 Amarelo 230 Azul escuro 290 Amarelo escuro 240 Azul marinho 300 Amarelo ouro 250 Azul claro 310 Castanho claro 260 Azul acinzentado 320 (Observação: A dureza diminui com o aumento da temperatura de revenido). - Manutenção da Temperatura Possível quando o aquecimento é feito em fornos. - Resfriamento O resfriamento da peça pode ser: o Lento deixando-a esfriar naturalmente. o Rápido mergulhando-a em água ou óleo. 1.3. Recozimento O recozimento é o tratamento térmico que tem por finalidade eliminar a dureza de uma peça temperada ou normalizar materiais com tensões internas resultantes do forjamento, da laminação, trefilação etc. Tem as funções também de tornar o aço mais homogêneo (controle de sua textura granular) o que melhora sua ductilidade tornando-o facilmente usinável, e remover de inclusões gasosas. Pode ser realizado também para reverter os processos de têmpera e revenido. O resfriamento pode ser feito em cinza, cal (materiais potencialmente descarbonizantes) e areia. Este tratamento pode ser aplicado, por exemplo, em arames de aço recozidos, recozimento de aços duros para usinagem em torno ou para serem mais facilmente estampados ou forjados. Tipos de recozimento: 1. Recozimento para eliminar a dureza de uma peça temperada. 2. Recozimento para normalizar a estrutura de um material. (a) Figura 2 Tipos de recozimento: a) para eliminar a dureza de uma peça temperada; b) para normalizar a estrutura de um material. (b)
Fases do recozimento 1ª Fase: - Aquecimento A peça é aquecida a uma temperatura que varia de acordo com o material a ser recozido. (Entre 500ºC e 900ºC). A escolha da temperatura de recozimento é feita mediante a uma consulta (Quadro 2). Quadro 2 Temperatura de recozimento Material Temperatura de recozimento Aço 1040-1050 800ºC Aço 1060-1080 785ºC Aço 1090 770ºC Aço rápido 900ºC - Manutenção da temperatura A peça deve permanecer aquecida por algum tempo na temperatura recomendada para que as modificações atinjam toda a massa da mesma. - Resfriamento O resfriamento deve ser feito lentamente, tanto mais lento quanto maior for a porcentagem de carbono do aço. No resfriamento para recozimento adotam-se os seguintes processos: 1 - Exposição da peça aquecida ao ar livre. (Processo pouco usado). 2 - Colocação da peça em caixas contendo cal, cinza, areia ou outros materiais. (Observação O material para resfriamento da peça deve estar bem seco). 3 - Interrompendo-se o aquecimento, deixando a peça esfriar dentro do próprio forno. (Nota No recozimento do cobre e latão o resfriamento deve ser o mais rápido possível). 1.4. Cementação Muitas peças de mecânica necessitam ter elevada dureza externa para resistirem ao desgaste; entretanto, internamente precisam permanecer moles, para suportarem solavancos (Figura 3). Figura 3 Engrenagens com partes externas resistentes ao desgaste. Essas peças geralmente são em aço de baixa porcentagem de carbono e recebem um tratamento denominado cementação que é um tratamento que consiste em aumentar a porcentagem de carbono numa fina camada externa da peça (Figura 4).
Figura 4 Aumento da porcentagem de carbono na camada externa de uma peça. Após a cementação tempera-se a peça; as partes externas adquirem elevada dureza enquanto as partes internas permanecem sem alterações (Figura 5). O material resultante possui uma região superficial muito dura e resistente ao desgaste, com um núcleo que permanece tenaz (resistente a choques). A cementação é aplicada, principalmente, na fabricação de engrenagens altamente solicitadas, de eixos de comando de válvulas e de outras peças sujeitas ao desgaste durante o funcionamento que, além de elevada dureza, devem apresentar grande resistência ao choque. Figura 5 Peça temperada depois de realizada a cementação. A cementação é feita aquecendo-se a peça de aço de baixo teor de carbono, junto com um material rico em carbono (carburante). Quando a peça atinge alta temperatura (750ºC a 1.000ºC) passa a absorver parte do carbono do carburante. Quanto mais tempo a peça permanecer aquecida com o carburante, mais espessa se tornará a camada. Os carburantes podem ser sólidos, (grãos ou pós), líquidos ou gasosos. A qualidade dos carburantes influi na rapidez com que se forma a camada. Fases da cementação 1ª Fase: - Aquecimento o Cementação em caixa: As peças são colocadas em caixas juntamente com o carburante, fechadas hermeticamente e aquecidas até a temperatura recomendada. o Cementação em banho: As peças são mergulhadas no carburante líquido aquecido, através de cestas ou ganchos. - Manutenção da temperatura O tempo de duração desta fase varia de acordo com a espessura da camada que se deseja e da qualidade do carburante utilizado. (0,1mm a 0,2mm por hora). - Resfriamento A peça é esfriada lentamente dentro da própria caixa. Após a cementação as peças são temperadas.
(a) (b) Figura 6 Fase de aquecimento da peça: a) em caixa; b) em banho. 1.5. Nitretação É um processo semelhante a cementação, que se faz aquecendo o aço a uma temperatura de 500ºC a 525ºC na presença do gás nitrogênio. Após algum tempo, obtém-se uma fina camada, extremamente dura, não havendo necessidade de se temperar a peça.