SILFERTRAT REPRESENTAÇÃO TÉCNICA EM TRATAMENTO DE METAIS Considerações sobre distorções dimensionais causadas pelos tratamentos térmicos Empenamentos e distorções dimensionais são características que podem comprometer a qualidade final de um processo de tratamento térmico, mesmo que outros resultados, tais como dureza e microestrutura metalográfica se apresentem conforme especificadas. Os empenamentos ¹ e distorções dimensionais² são comuns no setor ferramenteiro, geralmente resultantes de tratamentos térmicos em componentes de moldes e ferramentas. A norma DIN 17014 define o termo distorção da seguinte maneira: Distorção = Alteração dimensional + alteração de forma Estas duas alterações podem ocorrer separadamente. Todavia, a execução de um tratamento térmico ou termoquímico quase sempre provoca a superposição de ambas. As distorções podem ser classificadas em: Inevitáveis são aquelas decorrentes das alterações que ocorrem durante as etapas de difusão (processos termoquímicos), austenitização e têmpera dos aços. Também são inevitáveis as distorções provenientes de tensões térmicas, causadas pelos gradientes de temperaturas que se formam durante o aquecimento (expansão) e o resfriamento (contração) de peças e ferramentas com geometrias complexas e; Evitáveis são aquelas resultantes de um projeto bem elaborado, da seleção de um aço apropriado e de um tratamento térmico bem conduzido. Se estes dois fatores forem considerados, desde a elaboração do projeto, muitas dores de cabeça poderão ser evitadas. ORIGEM DAS DISTORÇÕES RELATIVAS AOS TRATAMENTOS TÉRMICOS A figura 1 apresenta, esquematicamente, as origens das distorções dimensionais constatadas em peças e ferramentas. Percebe-se que o problema não pode ser debitado exclusivamente à qualidade do aço, à geometria das peças ou à execução dos tratamentos térmicos. A questão é sistêmica e cada passo merece ser estudado criteriosamente [1,2]. Os aspectos mais relevantes para essas considerações são quatro, como descritos a seguir. I. Alterações volumétricas inevitáveis nos aços-ferramenta De maneira geral, os aços-ferramentas temperados e revenidos apresentam distorções Dimensionais com valores próximos aos descritos na tabela 1 [3].
Tipo de aço Variação dimensional % AISI A2 0,20 AISI O1 0,25 AISI D2, D3, D6 0,20 AISI H10 0,30 AISI H11, H13 0,20 AISI 420, 440C 0,15 Aços para trabalho a frio, de alta tenacidade (VF800AT, FOR821ESR, K340, Sleipner e outros) 0,15 Tabela 1 Distorções dimensionais esperadas para alguns tipos de aços ferramenta ¹Empenamento: quando a peça ou ferramenta entorta. ²Distorção dimensional: quando a peça ou ferramenta de precisão apresenta alterações em suas medidas. II. Empenamentos evitáveis pelos processos de usinagem A análise de um diagrama genérico tensão X deformação de um aço qualquer (vide figura 2) mostra a existência de um ponto na curva denominado LE, que é o limite de escoamento de material. Antes de submeter-se uma peça ou ferramenta ao tratamento térmico final, é importante que esta se apresente distensionada (sem tensões internas). Os processos de conformação mecânica (usinagem, forjamento e outros) introduzem tensões nas peças. Se estes esforços ultrapassarem o limite de escoamento do aço, quando as peças ou ferramentas forem submetidas ao tratamento térmico, naturalmente ocorrerá um alívio térmico de tensões assim que a temperatura estiver entre 450 e 600 C. Consequentemente surgirá uma deformação plástica (permanente). Logo, ao prosseguir com o aquecimento até a temperatura de austenitização, já se estará processando uma peça ou ferramenta deformada. Somando-se a este fato as distorções inevitáveis de um tratamento térmico (vide aspecto I), o resultado poderá ser catastrófico. Por estas razões recomenda-se que, sempre após uma usinagem de desbaste, seja efetuado um recozimento para o alívio das tensões. A partir daí, pode-se efetuar a usinagem de acabamento, tomando todas as precauções necessárias para não ultrapassar o limite de escoamento do aço [4].
III. Empenamentos evitáveis pelos processos de retífica e polimento De modo análogo ao que foi descrito no aspecto II, um pequeno grau de encrumento³ (genericamente 5 a 10%), determinado por operações de retífica ou de polimento executadas antes do tratamento térmico, poderá produzir ondulações na superfície das ferramentas tratadas, facilmente visíveis sob a incidência de luz dirigida. Este problema está relacionado ao fenômeno denominado recristalização secundária, que se caracteriza pelo crescimento anormal dos grãos que se encontram junto à superfície da peça ou da ferramenta, aumentando sua temperabilidade e, consequentemente, provocando um crescimento localizado destas áreas [6]. A figura 3 apresenta o diagrama do comportamento do tamanho de grão em função do grau de deformação e da temperatura. ³Encruamento: é um fenômeno modificativo da estrutura dos metais, em que a deformação plástica realizada abaixo da temperatura de recristalização causará o endurecimento e aumento de resiliência (capacidade de um material voltar ao seu estado normal depois de ter sofrido tensão) do metal. Pode ser definido como endurecimento do metal por deformação plástica [5]. Figura 1 Origens das distorções dimensionais.
Empenamentos evitáveis pela montagem da carga no forno A disposição da carga de peças e/ou ferramentas dentro de um forno de tratamento térmico é um dos principais fatores para o sucesso do processo. Como o limite de escoamento do aço diminui sensivelmente com o aumento da temperatura, quando se aquece uma peça ou uma ferramenta até a temperatura de austenitização, a simples ação de seu próprio peso poderá causar deformações permanentes (fenômeno denominado fluência). Logo, o posicionamento da carga a ser tratada deve ser criteriosamente estudado, ou seja, as peças devem estar bem apoiadas sobre dispositivos firmes e que não deformem [2]. Na formação de uma carga de tratamento térmico, tanto a uniformidade do aquecimento quanto a da têmpera, têm importância fundamental, principalmente quando se quer evitar o empenamento de peças com geometrias complexas ou muito delgadas (figura 4). Figura 2 Diagrama genérico tensão x deformação de um aço. DISTORÇÕES DIMENSIONAIS DE PEÇAS NITRETADAS E NITROCARBONETADAS A introdução de átomos de nitrogênio e de carbono na superfície da peça determina aumentos volumétricos e, portanto, distorções dimensionais. Há, porém, duas situações que podem ser contrapostas a este efeito: Como os processos de nitretação e de nitrocarbonetação são normalmente realizados a temperaturas entre 400 e 600 C, poderão ocorrer outras deformações, causadas pelo alívio de tensões (vide aspecto II) e; Se as peças a serem nitretadas precisarem ser previamente temperadas e revenidas, poderão ocorrer reduções de volumes, decorrentes da continuação do efeito de revenimento, durante a nitretação.
Geralmente é possível afirmar que, para aços de construção mecânica, o diâmetro de uma peça cresce, aproximadamente, na proporção de ½ a 2/3 da espessura da camada branca, desde que se respeitem algumas regras [7]. Figura 3 Crescimento anormal de grãos. Recristalização secundária. [6] 1ª regra A microestrutura metalográfica do aço a ser nitretado ou nitrocarbonetado, deve permanecer estável durante o processo. Para peças previamente temperadas e revenidas, isto significa que a temperatura de revenimento deve ser de 30 a 50 C acima daquela que será utilizada no processo de nitretação ou nitrocarbonetação e; 2ª regra Peças que não necessitem de um beneficiamento prévio à nitretação deverão ser submetidas a um processo de alívio de tensões (vide aspecto II), respeitando-se os mesmos parâmetros de temperaturas mencionados na 1ª regra. As duas regras não significam que seja impossível realizar-se uma nitretação ou nitrocarbonetação com distorções dimensionais muito próximas a zero.
Para grandes lotes de peças produzidas em série, onde as matérias primas, os métodos e os processos de usinagem e, quando necessário, os ciclos de têmpera e revenido estiverem bem definidos, é possível nitretar ou nitrocarbonetar peças que poderão ser utilizadas de imediato. Todavia, é necessário que se realizem testes preliminares de adequação de cada um dos parâmetros citados na figura 1 [7]. A figura 5 apresenta exemplos de peças nitretadas e nitrocarbonetadas. Figura 4 Peças com geometrias complexas ou muito delgadas. CONCLUSÃO Empenamentos e distorções dimensionais, constatados a após a realização de um tratamento térmico, podem ser reduzidos a um mínimo aceitável, desde que todas as informações técnicas sejam de conhecimento da equipe responsável pelo projeto, pelos métodos e processos de fabricação e também pelo tratador térmico. Não basta anotar no desenho a frase: Executar o tratamento térmico isento de deformações. É preciso ter uma visão sistêmica de todos os fenômenos que podem ocorrer e preparar roteiros de processo confiáveis. Por: Luiz Roberto Hirschheimer Engenheiro Metalurgista, Gerente Técnico e da Garantia da Qualidade da Techiniques Surfaces Brasil.
FONTES DE CONSULTA [1] Aços Böhler do Brasil Ltda.; Bölher Shop Service, Maio de 1989. [2] Edenhofer, B. Et all; Umgang MIT der Verzugsproblematik in der industriellen Wärmebehandlungs-praxis, Revista Härterei Technische Mitteillungen, volume 58, 2003. [3] Manuais dos fabricantes de aços-ferramentas. [4] Hirschheimer, L. R.; Como corrigir distorções dimensionais durante o tratamento térmico, Revista Metalurgia, volume 35, nº 264, Novembro de 1979. [5] Wikipédia, www.wickpedia.com [6] Eckstein; Wärmebehandlung von Stahl, Metalkundliche Grundlagen, VEB, Leipzig, 1971. [7] Liedtke, D.; Distortion engineering am Beispiel des Nitrocarburierens, Revista Härterei Technische Mitteillungen, volume 53, 1998. SILFERTRAT Representação Técnica em Tratamento de Metais Telefone: 11 3571-7949 Fax: 11 5061-7949 Celular: 11 6576-6119 silfertrat@silfertrat.com.br