1 Tratamentos Térmicos Alexandre Albarello Costa Palavras-chave Cementação; Nitretação; Recozimentos; Revenimento; Têmpera. I. INTRODUÇÃO Os tratamentos térmicos dos metais e das ligas têm por fim modificar as propriedades dos corpos, unicamente pela variação da temperatura. As categorias dos tratamentos são: - a têmpera - o revenido - os recozimentos A determinação dos tratamentos térmicos a submeter um metal são baseados em: - Diagrama ferro-carbono (observação dos pontos críticos do metal) - Temperaturas de aquecimento. Para a deslocação de Ac1 Ac3 Accm das ligas de aço - curva TTT (estudos de arrefecimento) FIGURA I EXPLICAÇÃO ESQUEMÁTICA DO TT II. A TÊMPERA Tratamento térmico caracterizado pelo resfriamento em velocidade superior á velocidade crítica de têmp e- ra, a partir de uma temperatura acima da zona crítica para os aços hipoeutetóides e geralmente dentro da zona crítica, para os aços hipereutetóides, resultando em transformação da austenita em martensita. Utiliza-se para peças que necessitem de alta rigidez. Sem o necessário complemento de um revenimento, as peças temperadas apresentar-se-ão, quase sempre frágeis. TABELA I ALGUNS TIPOS DE TÊMPERA Têmpera da camada cementada Têmpera restrita à camada periférica da peça cementada.utiliza-se para peças cementadas onde o núcleo deve apresentar durezas baixas. Têmpera diferencial Tratamento onde somente parte da peça segue o ciclo de temperaturas de têmpera. Também denominada têmpera seletiva.utiliza-se para peças que necessitem de regiões duras e algumas regiões moles. Têmpera direta de cementação Têmpera de peça cementada diretamente da temperatura de cementação sem resfriamento intermediário. Têmpera do núcleo Têmpera do material do núcleo de peça cementada.utiliza-se para peças cementadas, onde o núcleo deve apresentar durezas "médias". Têmpera dupla Têmpera de pela cementada realizada em duas etapas. A primeira a partir da temperatura de têmpera do material do núcleo e a segunda a partir da temperatura da têmpera do material da camada cementada.utiliza-se para peças com camadas profundas de cementação, com a finalidade de aumentar-se a tenacidade do núcleo. Têmpera em água Tempera em que o agente de resfriamento (meio de têmpera) é a água. Têmpera em óleo Têmpera em que o agente de resfriamento (meio de têmpera) é o óleo. Têmpera em salmoura Têmpera em que o agente de resfriamento (meio de têmpera) é uma salmoura. Têmpera por imersão Têmpera em que o aquecimento é produzido pela imersão da peça em banho de metais ou sais fundidos ou outro meio
2 líquido adequado. Têmpera superficial Têmpera limitadas às camadas periféricas da peça.utiliza-se para peças que necessitam de endurecimento apenas nas regiões de contorno, acompanhado sua geometria. Têmpera superficial por chama Têmpera em que o aquecimento é produzido por chama.utiliza-se para peças que necessitam de endurecimento apenas nas regiões de contorno, acompanhando sua geometria. Têmpera superficial por indução Têmpera em que o aquecimento é produzido por indução elétrica.utiliza-se para peças que necessitam de endurecimento apenas nas regiões de contorno, acompanhando sua geometria. A. Temperatura de aquecimento para os aços eutetóides A elevação da temperatura produz uma modificação da natureza dos constituintes. Estrutura de um aço eutetóide antes do aquecimento: Grãos de Perlita magnética Ferrita ou ferro puro cristalizado segundo a variedade. Cementita ou carbeto ferro. Moléculas formadas por três átomos de ferro e um átomo de carbono. Estrutura de aquecimento após o ponto Ac1 + 50 o Grãos de austenita amagnética Solução no estado sólido de carbono no ferro gama. O carbono se encontra misturado com o ferro no próprio interior do cristal. B. Temperatura de aquecimento para aços hipoeutetóides Aumento da temperatura para esquerda, a fim de obter toda a estrutura austenítica. Para uma temperatura inferior a Ac3, a ferrita não transformada em austenita subsiste após a têmpera, o que provoca diminuição da dureza. O mínimo de carbono para que uma aço adquira uma dureza suficiente na têmpera é de cerca de 0,4%. C. Temperatura de aquecimento para aços hipereutetóides Mesma temperatura que para os aços eutetóides. FIGURA II DIAGRAMA DE TÊMPERA PARA AÇOS AO CARBONO III. A TÊMPERA NA PRÁTICA: O sucesso completo da têmpera depende das condições seguintes: - Observação exata das temperaturas de têmpera e do meio de arrefecimento, prescritos pelas aciarias. - Utilização de forno permitindo um aquecimento uniforme, assim como de aparelhos muito precisos para controle da temperatura. A. Aquecimento: Para se levar as peças à temperatura de têmpera deve-se seguir o procedimento abaixo. Preaquecimento As peças são aquecidas lenta e progressivamente até 600 a 650 o C para aços ao carbono e 800 o C para os aços rápidos. (nunca se deve colocar as peças frias em um forno muito quente) Temperatura de têmpera As peças pré aquecidas são colocadas num forno à temperatura de têmpera. Manutenção da temperatura de têmpera Conta-se normalmente para uma espessura de 10mm de material uma duração de: 5 minutos para aço com pouca liga; 10 minutos para aços com muita liga. B. Arrefecimento: A velocidade de arrefecimento depende de um grande número de fatores, dentre eles os principais são: Influência do banho de têmpera: a natureza do banho de têmpera tem ação sobre a velocidade de a velocidade de arrefecimento (água, óleo, sopro de ar, banho de sal, etc) Temperatura dos banhos de têmpera: 20 a 30 o para a água, 50 o para o óleo Agitação do banho ou da peça: o que facilita as trocas de calor, assegurando uma distribuição idêntica do fluido sobre toda a superfície.
3 1) Volume do banho de têmpera Apresentação das peças ao banho de têmpera: as peças longas serão temperadas verticalmente e as de seção irregular serão mergulhadas de forma a oferecer primeiro a parte de maior contato com o líquido. TABELA II ERROS MAIS FREQUENTES NA TÊMPERA Conseqüências Conseqüências Erro Dureza Fratura Reparação aquecida muito rapidamente, não no interior nem uniformemente. Dureza irregular, a lima entra em certos pontos, a ferramenta fissura com freqüência, os cantos se lascam. Grão irregular, certas partes não temperadas, outras corretamente temperadas ou sobreaquecidas. Submeter a ferramenta embrulhada a um recozimento e retemperala corretamente. não submetida a um arrefecimento superficialmente enérgico para a têmpera (camada de vapor isolante) arrefecida com um refrigerador demasiadamente para o aço empregado (óleo, ar). arrefecida com refrigerador demasiadamente enérgico para o aço empregado (água salgada por exemplo). Dureza insuficiente, zonas brandas, sobretudo nas grandes superfícies. A lima entra em certos pontos. Dureza insuficiente e freqüentemente irregular, a lima ataca em certos pontos. Boa dureza, superfície apresentando a dureza de vidro, lima não entra, fendas de têmpera, forte deformação. Bom grão temperado somente nas arestas, no restante grão não temperado. Nas partes brandas, grãos semelhantes aos do aço não temperado. Fratura semelhante à do aço corretamente temperado. Após recozimento da ferramenta embrulhada, retempera-la com um arrefecimento mais enérgico, agitandoa no banho. Após recozimento, temperar de novo com um refrigerador mais enérgico. Desde que as fraturas sejam ainda utilizáveis, fazer um recozimento e temperar de novo à temperatura correta e com um refrigerador conveniente. insuficientemente aquecida, não tendo sido atingida a temp e- ratura de têmpera necessária. aquecida acima da temperatura conveniente (sobre aquecida) não apresentando nenhuma dureza ou dureza insuficiente. A lima entra. Boa dureza, lima não entra, mas freqüentemente fissuras, fortes deformações, fraturas no trabalho. s muito fortemente sobreaquecidas (queimadas). descarburada na superfície durante o aquecimento. Freqüentemente dureza insuficiente Dureza obtida parece insuficiente, lima entra na superfície, abaixo a superfície branda mu i- tas vezes a dureza é boa. Grão se assemelha ao do aço não temp e- rado. Grão fino de grosso, de um certo brilho, por vezes cintilante. Grão grosso de um forte brilho branco. Superfície de fratura mostra freqüentemente nos bordos um grão semelhante ao do ferro fundido. Abaixo desta zona o grão é o do aço corretamente temp erado. IV. DIAGRAMAS TTT Recozer a ferramenta embrulhada e retempera-la à temperatura correta, mais elevada. Submeter as ferramentas embrulhadas a um recozimento e temperá-las de novo à temperatura correta. As ferramentas fissuradas na têmpera são geralmente inutilizáveis. Uma ferramenta queimada não é reparável! Retirar com rebolo a camada descarburada. Em caso de descarburação profunda, recozer a ferramenta, usiná-la suficientemente e temperá-la de novo. O diagrama dá as estruturas ou as fases de transformação que sofre a austenita a temperaturas diferentes, abaixo de 721 o, em função do tempo. Alguns fatores que influenciam o diagrama TTT: - Composição química: em geral com o aumento do teor de carbono a curva desloca-se para a direita (com exceção do Co, os elementos de liga agem como o carbono). - Tamanho de grão: quanto maior o tamanho de grão, mais demorada será a transformação da austenita, deslocando a curva para a direita. FIGURA III
4 DIAGRAMA TTT As curvas de arrefecimento contínuo são utilizadas para controle do tempo e velocidade de arrefecimento de um material em tratamento térmico. VI. O REVENIMENTO Tratamento térmico de uma peça temperada ou normalizada, caracterizado por reaquecimento abaixo da zona crítica e resfriamento adequado, visando a ajustar as propriedades mecânicas.utiliza-se para peças recém-temperadas, com a finalidade de reduzirem-se as tensões produzidas durante a têmpera. A. Objetivo: O objetivo do revenido é diminuir os efeitos da têmpera, e atenuar ou fazer desaparecer as tensões internas pelos tratamentos térmicos seguintes: - um aquecimento entre 100 e 650 o - manter esta temperatura - um arrefecimento, em geral ao ar Figura 1. Magnetização como uma função do campo aplicado. V. CURVAS DE ARREFECIMENTO CONTÍNUO B. Nova estrutura, a sorbita: Durante o aquecimento, a martensita, solução sólida de carbono de ferro alfa, é transformada num novo constituinte, a sorbita, (agregado de ferro e de carbeto de ferro cementita) análoga à troostita. O grão de sorbita é constituído por lamelas muito finas de carbeto de ferro, dispostas entre as camadas muito finas de ferro. A sorbita é quase tão dura quanto a martensita mas mu i- to menos frágil. C. Diminuição da dureza com aumento da temperatura: Um aço temperado que se aquece a menos de 150 o não sofre diminuição sensível da dureza. Se se propõe aumentar a tenacidade de uma maneira mais acentuada e em conseqüência obter uma menor dureza, determina-se a temperatura adequada no diagrama de revenido correspondente ao aço em questão. D. O Revenido na Prática: Dada a necessidade de um controle rigoroso de temperatura, é recomendado o emprego de fornos especiais de revenido. FIGURA IV CURVAS DE ARREFECIMENTO Aquecimento: será feito lentamente até a temperatura do revenido. Duração do revenido: segundo as experiências, o efeito completo do revenido não pode ser obtido se a duração não for suficiente. Ele será de uma meia hora a até duas horas por 10mm de material. Para as temperaturas baixas, escolhem-se durações mais longas de revenido que para as temperaturas altas. Arrefecimento: O arrefecimento é realizado geralmente por ar. Um arrefecimento muito rápido pode provocar novas tensões.
5 Revenido a cor: Na falta de aparelhos de medição, podese avaliar a temperatura de revenido de uma peça, conforme a cor que toma a sua superfície, previamente limpa com lixa abrasiva. Para aços de ligas fortes, é preciso ter em conta que as cores de revenido aparecem a temperaturas mais elevadas que as observadas para outros aços. DIAGRAMA DOS RECOZIMENTOS VII. OS RECOZIMENTOS Toda a peça de forma complicada, tendo sido obtida definitivamente por uma moldagem a quente, necessita, antes da usinagem, um recozimento. Em geral, não se tem bem em conta que fresagem, o torneamento ou o aplainamento provoca igualmente tensões no aço. Estas tensões podem ser a origem de deformações e de fissuras no momento da têmp e- ra. Descarburação: evita-se descarburação durante o aquecimento se impedir todo o contato entre o aço e o oxigênio, por uma atmosfera neutra, ou introduzindo as peças em caixas cheias de aparas de ferro fundido. VIII. RECOZIMENTO DE NORMALIZAÇÃO N Os aços com menos de 1% de carbono (aços de construção) são os mais freqüentemente submetidos aos recozimentos de normalização. A operação consiste em aquecer o aço até um pouco acima do ponto Ac3, que é o de transformação da estrutura em austenita. O aço é mantido a esta temperatura só alguns minutos. O arrefecimento efetua-se ao ar livre. IX. RECOZIMENTO DOCE G Com o recozimento doce, transformam-se as placas de cementita em perlita, e numa rede de cementita em excesso, de tal maneira que ela toma a forma de esferas, chamada cementita esferoidal. O recozimento doce normal não se pratica, senão para os aços com menos de 0,4% de carbono. Objetivo: Boa estrutura para usinagem e muito favorável para a têmpera. O aço fica mais doce e mais maleável. Perdas das tensões internas, ocasionadas pelo trabalho a quente. XI. OS ENDURECIMENTOS DE SUPERFÍCIE Objetivo: Em numerosos casos, uma peça acabada deve ter não somente uma dureza igual à do aço temperado, mas também uma boa resiliência. Ela deve ser de composição heterogênea. - O interior do aço de baixo teor de carbono assegura a resiliência desejada. - O exterior em aço de alto teor de carbono permite obter a dureza desejada. Os métodos mais importantes de endurecimento superficial, para as peças na sua forma definitiva são: - a cementação - a nitração - têmpera superficial (indução ou à chama) X. RECOZIMENTO DE ESTABILIZAÇÃO OU RECOZIMENTO INTERMEDIÁRIO Este recozimento não tem por objetivo modificar a estrutura do aço nem atenuar a dureza. O aço é aquecido a uma temperatura de 550 a 650 o durante meia hora a duas horas. Deixa-se arrefecer lentamente, mesmo no forno. Objetivo: Eliminar tensões internas depois da soldagem, ou aquelas de um trabalho anterior a quente ou a frio. FIGURA V. XII. A CEMENTAÇÃO A cementação é um tratamento que permite, sob o efeito do calor, introduzir carbono no aço doce e formar uma cada exterior mais ou menos profunda, de 0,2 a vários milímetros, capaz de receber a têmpera. Este processo comporta então duas fases sucessivas: 1- Cementação propriamente dita (carburação) 2- Tratamentos térmicos (têmpera e revenido)
6 Cementação propriamente dita: Para enriquecer em carbono a superfície da peça, coloca-se esta no meio de uma substância, chama cemento, suscetível de lhe fornecer carbono. Todo o conjunto é elevado a uma certa temperatura. Qualquer que seja o estado físico do cemento, o carbono é conduzido ao aço por intermédio de gases carbônicos que, em contato com o ferro, se decompõem, liberando o carbono que se dissolve no metal. A camada cementada não aumenta livremente com o tempo, mas rapidamente no princípio e depois cada vez mais lentamente com o aumento do tempo de carburação. Quanto aos cementos, um de boa qualidade deve ter: - um efeito constante de carburação - uma composição perfeitamente definida - a possibilidade de ser utilizado um grande número de vezes Vantagens da cementação líquida: O aquecimento é mais regular, a temperatura do banho é controlada por uma sonda pirométrica. A descarburação das peças à saída do banho é eliminada por uma ligeira camada de sal sobre as superfícies. A têmpera pode ser efetuada à saída do banho. Vantagens da cementação gasosa: As condições de carburação podem ser reguladas à vontade por uma dosagem apropriada do operador. As peças cementadas ficam limpas. Uma cementação mais rápida Estados TABELA III. PRINCIPAIS CEMENTOS Portadores de Os ativantes Regeneração Carbono A. Sólido Coque, Carvão vegetal B. Líquido C. Gasoso Cianeto de Sódio Gás natural metano Carbonato de bário Sais contendo cloretos alcalinos terrosos Propano FIGURA VI. A CEMENTAÇÃO Adição de 0,1% de cemento novo depois de cada utilização Adição de sal novo regularmente XIII. A NITRETAÇÃO O objetivo da nitração é endurecer superficialmente o aço pela ação do nitrogênio. Princípio: A nitração consiste em submeter o aço, aquecido a uma certa temperatura, à ação de uma corrente de amoníaco gasoso. O gás amoníaco (NH3) reage com a superfície do aço (catalisador) para formar o nitrogênio primário, que penetra na superfície do aço alfa e o Hidrogênio (H) é liberado. É necessário agir com muito cuidado durante o transporte e estocagem das peças nitradas. O menor choque faz correr o risco de fissura na camada nitrada. Vantagens da nitração: - Deixa-se arrefecer as peças no forno - A deformação é nula - A camada nitrada apresenta uma certa resistência à corrosão - Boa resistência à fadiga - Propriedades excelentes de deslizamento - Grande resistência ao desgaste - A camada nitrada conserva sua dureza até 500 o aproximadamente - Melhoramento da resistência ao desgaste das ferramentas em aço rápido, nitradas depois da têmpera e do revenido. FIGURA VII.
7 A NITRETAÇÃO XIV. AGRADECIMENTOS O autor deste trabalho agradece ao professor Fernando Piazza pelo apoio e dedicação demonstrados durante todo o período de pesquisa e desenvolvimento do artigo. XV. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Livros: [1] Van Vlack, Princípios de Ciência e Tecnologia dos Materiais. Ed Campos. [2] Ernani, "Materiais" Web Sites: [3] Informe metalúrgico, http://www.infomet.com.br [4] http://www.jcaruso.hpg.ig.com.br/cursos/toto/ [5] Agência Nacional de Energia Elétrica, http://www.aneel.gov.br