TRATAMENTOS TÉRMICOS DE METAIS DE BASE E JUNTAS SOLDADAS Prof. Valtair Antonio Ferraresi Universidade Federal de Uberlândia 1 Tratamentos Térmicos Operações de aquecimento e resfriamento controlados, que visam afetar as características dos aços e ligas especiais, são denominadas tratamentos térmicos. Os principais objetivos dos tratamentos térmicos são os seguintes: - Remoção de tensões (oriundas de esfriamento desigual, trabalho mecânico ou outra causa); - Aumento ou diminuição da dureza; - Aumento da resistência mecânica; - Melhora da ductibilidade; - Melhora na usinabilidade; - Melhora da resistência ao desgaste; - Melhora das propriedades de corte; - Melhora da resistência a corrosão; - Melhora da resistência ao calor; - Modificação das propriedades elétricas e magnéticas; 2
Tratamentos Térmicos Para a realização de um tratamento térmico em um aço os seguintes fatores devem ser levados em consideração: Aquecimento; Tempo de permanência à temperatura de aquecimento; Resfriamento; Atmosfera do forno. Os principais Tratamentos Térmicos são: - Recozimento; - Normalização; - Têmpera; - Revenimento. 3 RECOZIMENTO Recozimento visa reduzir a dureza do aço, aumentar a usinabilidade, facilitar o trabalho a frio ou atingir a microestrutura ou as propriedades desejadas. Tipos de recozimento: - Recozimento pleno; - Recozimento isotérmico - Recozimento subcrítico; - Esferoidização ou recozimento intercrítico. Recozimento pleno consiste em austenitizar o aço (50 0 C acima da linha A3 para os aços hipoeutetóides e de 50 o C acima da linha A1 para hipereutetóides), resfriandoo lentamente, usualmente dentro do forno. Busca obter uma estrutura próxima do equilíbrio. 4
RECOZIMENTO 5 RECOZIMENTO TEMPERATURE T A Austenite Ferrite α + Austenite Ac 3 Ac 1 Ciclos de recozimento recomendados para aços carbono Aço ABNT Temperatura de Austenitização ( o C) *Ciclo de resfriamento de -até( 0 C) Faixa de dureza (Brinell) Ferrite α 1020 855 900 855 700 11 149 1030 845 885 845 650 126 197 TEMPERATURE T A A.+F. Austenite A. + Bainite TIME Ac 3 Ac 1 A.+F.+P. Ferrite + pearlite 1040 790 870 790 650 137 207 1050 790 870 790 650 156 217 1060 790 845 790 650 158 217 1070 790 845 790 650 167 229 1080 790 845 790-650 167 229 1090 790-830 790-650 167-229 A. + Martensite * Resfriamento a 28 o C por hora no interior do forno Martensite log(t) 6
RECOZIMENTO Recozimento isotérmico: consiste no aquecimento do aço nas mesmas Austenite condições do recozimento total, seguido de um resfriamento rápido até uma Ac 3 determinada temperatura, sendo que no Ferrite α e Austenite Ac diagrama de transformação isotérmico e 1 mantido constante até produzir a transformação completa. Obtém os Ferrite α mesmos constituintes do recozimento pleno. A estrutura final é mais uniforme que no T A caso do recozimento pleno Ac 3 Ac 1 TEMPERATURE TEMPERATURE T B Austenite A.+F. A.+F.+P. Ferrite e perlite A. + Martensite Martensite A. + Bainite log(t) 7 RECOZIMENTO Recozimento subcrítico (alívio de tensões) o aquecimento se dá a uma temperatura abaixo da linha A1 utilizado para recuperar a ductilidade do aço trabalhado a frio (encruado) recuperação das fases encruadas. Normalmente, o aquecimento do aço carbono fica na faixa de 595 a 675 0 C, seguido do resfriamento ao ar. As principais transformações que ocorrem neste tratamento são a recuperação e a recristalização das fases encruadas. São também aplicados quando se deseja reduzir tensões residuais em estruturas ou componentes após soldagem, dobramento, resfriamento brusco (têmpera), etrc. Falta a Fig 3.3 - PM 8
Alívio de Tensões T Tmax t Treatment temperature for different low alloyed steels Aço carbono e C-Mn T d =550 C-600 C; Aço Cr-Mo: T d 630 C to 780 C; Aços de baixa liga T d =530 C-580 C. Velocidade de aquecimento/resfriamento - máx de 200 o C/h Tempo na temperatura de tratamento depende da espessura min 30 min. 9 RECOZIMENTO Esferoidização - Consiste num aquecimento e resfriamento subseqüente, em condições tais a produzir uma forma globular ou esferoidal de carboneto no aço. Há várias maneiras de produzir tal estrutura, a saber: - aquecimento a uma temperatura logo acima da linha inferior de transformação, seguido de esfriamento lento; - aquecimento por tempo prolongado a uma temperatura logo abaixo da linha inferior da zona crítica; - aquecimento e resfriamento alternados entre temperaturas que estão logo acima e logo abaixo da linha de transformação inferior. A esferoidização objetiva melhorar a usinabilidade de aços de alto carbono. 10
RECOZIMENTO 11 RECOZIMENTO Microestrutura da liga Fe- 0,003%C encruada em 60% antes (a) e após (b) recozimento por 2h a 538ºC. Após o recozimento (b), 80% da estrutura recristalizaram formando grãos equiaxiais finos. Microscopia ótica. Ataque: nital 3% Aumento: 100X 12
NORMALIZAÇÃO Normalização consiste na austenitização completa do aço, seguida de resfriamento ao ar parado ou agitado. É indicado para homogeneização da estrutura após o forjamento e antes da têmpera ou revenimento. Aços ligados que temperam (endurecem) ao ar não são normalizados. Diagrama de equilíbrio Fe-C com as faixas de temperatura de deformação a quente e dos tratamentos térmicos de homogeneização, normalização e recozimento pleno. 13 Normalização e Recozimento Ciclos térmicos (esquemáticos) dos tratamentos térmicos de recozimento pleno e normalização. No recozimento pleno, devido ao resfriamento mais lento, a transformação em ferrita e perlita ocorre a temperatura mais elevada e a microestrutura é mais grosseira, quando comparadas com as da normalização. 14
NORMALIZAÇÃO A normalização pode ser usada para as seguintes aplicações: - Refino de grão (por meio de recristalização) e homogeneização da estrutura visando obter uma melhor resposta na têmpera ou no revenimento posterior. - Melhoria da usinabilidade - Refino de estruturas brutas de fusão (peças fundidas, por exemplo). - Obter propriedades mecânicas desejadas. Temperaturas de normalização recomendadas para os aços carbono e baixa liga Aço o C Aço o C 1020 915 5120 925 1030 900 5135 870 1045 860 5147 870 1080 830 5160 870 1340 870 8640 870 4032 900 8720 925 4140 870 9850 870 4340 870 81B45 870 4720 925 94B40 900 15 NORMALIZAÇÃO Aço 1015 1020 16
Têmpera Têmpera - Consiste no aquecimento de um do aço até a completa austenitização seguido de resfriamento rápido para causar a formação de uma estrutura martensitica. O objetivo, sob o ponto de vista de propriedades mecânicas, é o aumento do limite de resistência à tração e de sua dureza. O meio de resfriamento depende do teor de carbono presente no aço, da forma e dimensões da peça submetida à têmpera. Pode ser líquido ou gasoso. No caso de um meio líquido os mais comuns são: água, água contendo sal ou aditivos cáusticos, óleo e soluções aquosas de polímeros. Os meios gasosos podem ser ar ou gases inertes como hélio e argônio. 17 Têmpera Resultam da têmpera redução da ductilidade (baixos valores de alongamento e estricção), da tenacidade e o aparecimento de apreciáveis tensões internas. Esses inconvenientes são atenuados pelo revenido Influência do teor de carbono na dureza de aços com estrutura constituída integralmente de martensita, ferrita-perlita e esferoidita. 18
Têmpera Como os diferentes aços apresentam curvas ITT distintas, a taxa mínima de resfriamento necessário (denominada velocidade crítica) para evitar as transformações perlítica e bainítica varia em uma faixa bastante larga. 19 Têmpera Aumentando-se o teor de C diminui-se a temperatura para início e fim da formação da martensita. A dureza da martensita também aumenta 20
Têmpera Influência do teor de carbono na dureza da martensita de ligas Fe-C revenidas em diferentes temperaturas. 21 Revenimento A martensita como temperada é extremamente dura e frágil altas tesões internas podendo trincar sem emprego prático. Para atingir valores adequados de resistência mecânica e tenacidade, deve-se, logo após a têmpera proceder o revenimento. Consiste em aquecer uniformemente até uma temperatura abaixo daquela de austenitização, mantendo o aço nesta temperatura por um tempo suficiente para equalização de temperatura e obtenção das propriedades desejadas. 22
Revenimento Variação das propriedades mecânicas do aço 4340 em função da temperatura de revenimento 23 Revenimento Efeito da duração do revenimeno de um aço com 0,28%C sobre a dureza para quatro temperaturas diferentes. 24
Revenimento Efeito do tempo de revenimento na dureza de aços carbono 25 Revenimento Influência da temperatura de revenimento na energia de impacto Charpy V de aços baixa liga e médio carbono temperados. 26
Revenimento Influência da temperatura de revenimento na dureza de aços com diferentes teores de carbono. 27 Revenimento Curva tensão-deformação do aço Fe-C nos estados temperado e temperado e revenido. 28
Têmpera e Revenido Variação da dureza (atraso do amolecimento e endurecimento secundário) no revenimento de aços com diferentes teores de Mo. 29 Revenimento Influência dos elementos na dureza de ligas Fe-C revenidas a 540ºC. 30
Martêmpera Martêmpera Objetivo é minimizar o efeito das tensões de resfriamento na têmpera. O resfriamento é interrompido por alguns instante a uma temperatura pouco superior ao início de transformação martensíica, diminuindo os gradientes térmicos. Diminui perda de peças por trinca.. Maior custo em relação a têmpera convencional 31 Martêmpera 32
Austêmpera Austêmpera transformação isotérmica para a produção de uma estrutura bainítica. Consiste em: Austenitizar o aço; Resfriamento rápido em banho de sal, óleo ou chumbo para a região de formação bainítica Transformação da austenita em bainita; Resfriamento ao ar ate a temperatura ambiente. 33 Austêmpera O principal objetivo da austêmpera é obter produtos com alta ductilidade e resistência ao impacto, sem perda expressiva de dureza. Reduzir a formação de trincas e empeno A escolha do aço para austêmpera é baseada em sua curva ITT 34
Solubilização e Envelhecimento O tratamentos térmicos de solubilização e envelhecimento são aplicados em Ligas endurecíveis por precipitação Nestes materiais, consegue-se um aumento considerável de resistência mecânica e dureza por. Tais ligas possuem um diagrama de equilíbrio do tipo mostrado na figura abaixo, de forma que, aquecendo-as a uma temperatura T1, ocorre a dissolução da fase β, estável à temperatura ambiente. O tratamento de solubilização consiste em aquecer o material até T1, para a dissolução de β, e, em seguida, resfriá-lo rapidamente de forma a impedir que esta fase se precipite novamente. 35 Solubilização e Envelhecimento Como resultado, obtém-se uma solução sólida super-saturada de β que tende a ser macia e dútil. Contudo, se o material for aquecido a uma temperatura moderada (T2), a fase β, ou uma outra fase meta-estável (isto é, diferente da fase β, a esperada pelo diagrama de equilíbrio, mas cuja velocidade de formação seja maior), poderá se precipitar em uma forma extremamente fina, endurecendo o material consideravelmente (tratamento de envelhecimento). A escolha da temperatura T2 (e do tempo de permanência nesta temperatura) é muito importante pois, se esta for muito elevada (T3, por exemplo), os precipitados obtidos podem ter um tamanho excessivo para causar o aumento desejado nas propriedades mecânicas (super-envelhecimento). São exemplos de ligas endurecíveis por precipitação: ligas de alumínio e cobre (ANSI série 2000), alumínio e zinco (série 7000), ligas de magnésio (AZ80A, ZK60A e HM21A conforme a norma ASTM B275), ligas de níquel contendo Al ou Nb (Waspalloy, Nimonic 90, etc), ligas de titânio e certos aços inoxidáveis (17-7 PH, 17-4 PH, etc). 36
Solubilização e Envelhecimento 37 TRATAMENO TERMOQUÍMICO Visam à adição, por difusão, de elementos quimicos (C, N, B e outros) na superfície do aço. Objetivo aumentar a dureza e a resistência ao desgaste da superfície, mantendo dúctil o núcleo do material. Outros propósitos aumentar a resistência à fadiga, á corrosão em altas temperaturas e etc. Processos mais utilizados são: Cementação, nitreação, cianetação, carbonitretação, nitrocarbonetação, boretação e outros. Fatores que influenciam no controle do processo são: 1 Potencial do meio (sólido, líquido, gasoso ou plasma), em que a peça está imersa, de fornecer o elemento químico (C, N, B e etc.) 2 Capacidade da peça absorver este elemento químico. Isto está relacionado com a solubilidade e a difusão do elemento químico. 38
TRATAMENO TERMOQUÍMICO Solubilidade do elemento químico no aço As temperaturas utilizadas para a introdução de nitrogênio são menores que as utilizadas para a introdução de carbono ou boro. 39 TRATAMENO TERMOQUÍMICO 40
Cementação Consiste na introdução de carbono no aço, de modo que este, depois de temperado, apresente uma superfície dura. O processo é utilizado em aços carbono (ABNT/AISI 1010 a 1035) e aços baixa liga (AISI/ABNT 2317, 2325, 3115, 4617, 9310, etc.). A cementação pode ser feita por via sólida, gasosa, líquida, vácuo ou Plasma. Cementação sólida: As peças são acondicionadas em caixas metálicas, adiciona carvão de madeira ou coque, catalisador constituído de uma mistura de 50 a 70% de carbonato de bário com outros carbonatos (cálcio, potássio e sódio) e um óleo ligante. Temperaturas Normalmente de 815 a 955 o C. Profundidade da camada cementada varia de 0,6 a 7mm (depende das condições de tempo e temperatura empregada) A profundidade é feita por medida de dureza. Considera-se camada cementada efetiva a região com dureza maior que 50RC. 41 Cementação sólida Efeito do tempo de cementação na profundidade da camada cementada (a) e na distribuição do carbono (b) para o aço 3115, cementado a 925 o C com carvão de madeira, coque e carbonato de sódio. 42
Cementação sólida Vantagens: - Pode utilizar uma grande variedade de fornos, pois produz sua própria atmosfera cementante; - É ideal para peças que precisam de resfriamento lento após a cementação, como as que serão usinadas antes do tratamento de têmpera. Desvantagens: -Não é indicada para camadas que devem ser controladas dentro de uma tolerância estreita; - Não permite controle do potencial de carbono na superfície da peça; - É mais lenta que os outros processos de cementação, pois é preciso aquecer e resfriar a peça junto com a caixa que a contém. OBS.: Por requerer mão-de-obra intensiva, é pouco utilizada atualmente, tendo sido substituído por processos que permitem uma maior automatização, como a cementação a gás. 43 Cementação gasosa Consiste em se colocar a peça a ser cementada em um forno com atmosfera de potencial de carbono controlado. Gás cementante gás natural, propano, butano e álcool etílico volatizado Gás veículo empregados para diluir o gás cementante e manter uma pressão positiva no forno são misturas de gases (nitrogênio, dióxido de carbono, hidrogênio. Profundidade da camada cementada varia de 0,5 a 2,0mm 44
Cementação gasosa 45 Cementação gasosa Vantagens: - Processo mais limpo que por via sólida; - Melhor controle do teor de C e da espessura; - Processo rápido e para produção contínua; - Possibilita a têmpera direta, evitando o resfriamento; Desvantagens: - Custo alto dos equipamentos comparado com a cementação sólida; - Requer pessoal habilitado Equipamento para cementação gasosa e têmpera posterior com produção contínua. 46
Cementação líquida Consiste em se manter o aço em um banho de sal fundido em uma temperatura acima de A 1. A profundidade da camada cementada depende da composição do banho e, principalmente, da temperatura utilizada. Como sal fundido contém cianeto de sódio (NaCN) e cianato de sódio (NaCNO), a camada endurecida contém apreciável quantidade de nitrogênio, que pode formar nitretos. Os nitretos aumentam a resistência ao desgaste e reduzem o amolecimento durante os tratamentos térmicos, como o revenimento. Perfil de distribuição do carbono após cementação líquida, em barras do aço 1020, utilizando diferentes temperaturas do banho. 47 Cementação líquida Tipos de fornos Vantagens: -Obtenção de apreciável profundidade de penetração em tempo relativamente mais curto, que na cementação a gás, pois a peça entra em contato direto com a massa líquida; - Possibilidade de operação contínua, pela colocação ou retirada das peças, enquanto outras ainda estão em tratamento. Desvantagens: - Produz resíduos tóxicos de cianeto; 48
Cementação a vácuo O aço é austenitizado em uma câmara a vácuo (0,1 a 0,5 torr), com posterior injeção de gás cementante (metano, ou propano, puros ou misturados) em uma pressão parcial entre 10 e 200 torr e mantido entre uma a três horas na temperatura de austenitização para possibilitar a difusão do carbono. Em seguida a câmara é evacuada e, posteriormente, preenchida com gás nitrogênio, sendo o aço temperado diretamente em óleo. O processo oferece uma melhor uniformidade e um controle mais preciso da camada cementada (comparada com a gasosa). Processo a vácuo peças mais limpas não requer limpeza posterior. Menor emissão de gases é menor que a cementação gasosa. Em contrapartida custo do equipamento é alto. 49 Cementação iônica ou a plasma Colocar a fig 4.24 PMei pag 171 50
Cementação iônica ou a plasma Comparação entre cemetação iônica e a gás aço 1020 Perfil de distribuição do C aço 1020 cementado a 900 o C pelo processo iônico e a gás 51 Cementação iônica ou a plasma A camada cementada na cementação iônica é mais uniforme que na cementação a gás ou a vácuo, especialmente em regiões de acesso mais difícil, como raiz dos dentes de uma engrenagem, por exemplo. Outra vantagem da cementação iônica é seu maior poder de manter uma camada uniforme em furos de peça. O custo de operção é maior na cementação iônica. 52
Nitretação É o processo de introdução de nitrogênio no aço, pelo aquecimento dele entre 500 e 570 o C, para formar uma camada dura de nitretos. Nesta faixa de temperatura o aço encontra-se na condição ferrítica. Temperaturas menores que a cementação implica em menor distorção da peça e tem menor tendência a causar trincas. Após a nitretação não é necessária têmpera para produzir o endurecimento na camada nitretada. Razões para utilizar a nitretação; - Obter altíssima dureza superficial (em torno de 70 RC) e alta resistência ao desgaste; - Melhorar a resistência à fadiga e à corrosão (exceto para aços inoxidáveis); - Obter superfície resistente ao amolecimento por aquecimento até temperaturas próximas à nitretada. Técnicas de nitretação: Gás, Líquida e Iônica. Para alcançar os resultados desejados é conveniente que as peças sejam resfriada rapidamente após a nitretação, a fim de que o nitrogênio seja mantido em solução sólida na peça. 53 Nitretação a Gás Consiste em submeter a peça a uma atmosfera de amônia entre 500 e 565 o C. Aços empregados: (basicamente os que contêm elementos formadores de nitretos estáveis à temperatura de nitretação, como Al, Cr, V. Classificação: - Aços baixa liga, contendo Al; - Aços médio carbono, ao Cr das séries 41xx, 43xx, 51xx, 61xx, 86xx, 87xx e 98xx; - Aços ferramentas com 5% Cr, do tipo H11, H12 e H13; - Aços baixo carbono, ao Cr, das séries 33xx, 86xx e 93xx; - Aços ferramentas endurecíveis ao ar como A2, A6, D2, D3 e S7; - Aços inoxidáveis ferríticos e martensíticos (série 400 e 500), austeníticos da série 200 e 300; - Aços inoxidáveis endurecidos por precipitação, tais como 13-8 PH, 15-5 PH, 17-4 PH, 17-7 PH e etc. OBS.: aços carbono em geral não são utilizados na nitretação a gás, pois formam uma camada nitretada extremamente fina e quebradiça. Camada nitretada aprox. 0,7 mm 54
Nitretação Líquida O aquecimento é feito na mesma faixa de temperatura da nitretação a gás (500 a 570 o C), utilizando um banho à base de cianeto ou cianato. Em vista disso, adiciona-se também um pouco de carbono à peça. Gradiente de nitrogênio no aço 1015 em função do tempo de nitretação líquida a 565 o C. Equipamento igual ao da cementação líquida. 55 Nitretação Iônica Equipamento e técnica semelhante a cementação iônica Gás Nitrogênio Vantagens: - Melhor controle da camada nitretada; - Menor tempo de nitretação; - Não poluente. -Desvantagens: -- Alto custo do equipamento. - Necessidade de fixar as peças com conectores para passagem de corrente elétrica. 56
Cianetação Consiste em aquecer o aço em temperaturas acima de A 1, em um banho de sal fundido, de modo que a superfície do aço absorva carbono e nitrogênio. Após a têmpera em óleo ou água, o aço desenvolve uma camada dura, resistente ao desgaste e à fadiga. Os banhos de sal contêm cianeto de sódio (30 a 97%), carbonato de sódio (2 a 40%). Temperaturas variam de 760 a 870 o C e os equipamentos são os mesmos empregados na cementação líquida. Aços: carbono, baixa liga, ferramenta e inoxidáveis 57 Cianetação 58
Carbonitretação É um processo para introduzir C e N no aço a partir de uma mistura gasosa apropriada. O C provem de um gás rico em carbono e o N a partir da amônia dissociada. É um processo misto de cementação a gás e nitretação a gás Temperaturas 700 a 900 o C e num tempo menor que a cementação a gás. Equipamentos: o mesmo da cementação a gás. Objetivo: formar no aço uma camada dura e resistente ao desgaste de 0,07 a 0,70mm. Aços: 10xx, 11xx, 12xx, 13xx, 14xx, 15xx, 41xx, 46xx, 61xx, 86xx e 87xx, com teores de carbono na faixa de 0,25%. Alguns casos com até 0,5% em peso. 59 60
Nitrocarbonetação Envolve a adição conjunta de carbono e nitrogênio, estando o aço no campo ferrítico. Objetivo: obter uma região branca como na nitretação e melhorar a resistência ao desgaste. Pode ser realizado a gás e plasma Temperatura: 570 o C por um período de três horas. Após o tratamento, o aço é resfriado rapidamente em óleo para manter o nitrogênio em solução sólida e aumentar a resistência à fadiga. 61 Boretação Consiste em se aquecer o aço 700 e 1000 o C por 1 a 12 horas em contato com um agente boretante, objetivando a formação de boretos de ferro (Fe 2 B e FeB) na superfície do aço. O boro pode ser fornecido por via gasosa, líquida, sólida ou pastosa. Boretação gasosa: gás BCl3 diluído na proporção de 1:15 com H; Boretação líquida: banhos de sais fundidos por eletrólise ou aquecimento externo - Na2B4O7 (borás ou tetraborato de sódio), B4C e KBF4. Boretação sólida: boro amorfo puro, ferro-boro e carboneto de boro - são misturados com diluentes. Relação entre a espessura da região boretada e tempo do processo a 1000 o C 62
Boretação Aplicados em aços carbono, baixa liga, ferramenta e inoxidáveis Vantagens: - A dureza da camada boretada é extremamente alta, acima das obtidas por cementação e nitretação de aços carbono; - Alta resistência a corrosão por ácidos inorgânicos (clorídicos, sulfúricos e fosfóricos); - Apresenta elevada resistência ao resgaste. Desvantagens: Elevada dureza dificulta o ajuste da peça só por lapidação com diamante; Resistência a fadiag inferior à obtidas na peça cementada ou nitretada. Efeito do tempo e da temperatura na espessura da camada boretada em aço baixo carbono, utilizando a boretação sólida. 63 Resumo dos tratamentos termoquímicos 64
Referências Costa e Silva, Andre Luiz & Mei, Paulo Roberto, Aços e ligas especiais, Editora Edgard Blucher, São Paulo, 2006. ASM Metals handbook. 8. ed. Metals Park, 1974. Chiaverini, Vicente, Aços e Ferros Fundidos - ABM, 1982. Krauss, G. Steels: heat treatment and processing principles, ASM, 1997. 65