TRATAMENTOS TÉRMICOS Prof. M.Sc.: Anael Krelling 1
RECOZIMENTO Visa reduzir a dureza do aço, aumentar a usinabilidade, facilitar o trabalho a frio ou atingir a microestrutura ou as propriedades desejadas. Existem, basicamente, três tipos principais de recozimento: Recozimento pleno ou supercrítico; Recozimento subcrítico; Esferoidização ou recozimento intercrítico. 2
RECOZIMENTO OU RECOZIMENTO PLENO Consiste em austenitizar o aço, resfriando-o lentamente a seguir. A temperatura de recozimento é de mais ou menos 50 C acima da linha A 3 para aços hipoeutetóides e 50 C acima de A 1 para aços hipereutetóides. Nos Hipereutetóides não se deve ultrapassar a A cm, porque, no resfriamento posterior, ao ser atravessada novamente esta linha, formar-se-ia cementita nos contornos de grão da austenita, o que iria fragilizar posteriormente a peça tratada. O resfriamento deve ser feito dentro do forno ou ainda em campânulas isoladas, cal em pó, areia bem seca, cinzas ou qualquer meio que assegure um resfriamento lento. 3
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RECOZIMENTO SUBCRÍTICO É aquele em que o aquecimento se dá a uma temperatura abaixo de A 1. É usado para recuperar a ductilidade do aço trabalhado a frio (encruado). O recozimento subcrítico é realizado antes de novas deformações nos produtos que sofreram deformação a frio. Normalmente, o aquecimento do aço carbono na faixa de 595 a 675 C, seguido de resfriamento ao ar, é suficiente. As principais transformações são a recuperação e a recristalização das fases encruadas. Não há formação de austenita, não fazendo sentido, portanto a utilização de diagramas TTT. 5
Alívio de Tensões em Aço Carbono 6
RECOZIMENTO DE ESFEROIDIZAÇÃO No recozimento de esferoidização se objetiva alterar a distribuição dos carbonetos na microestrutura (especialmente aqueles presentes na perlita), transformando-os em pequenos glóbulos ou esferas, dispersos na matriz. Em diversos casos, especialmente aços de médio a alto carbono, esta estrutura é muito favorável para a usinabilidade. Há várias maneiras de se obter uma estrutura de carbonetos esferoidizados em matriz ferrítica após uma austenitização total ou parcial: manutenção por tempo prolongado à temperatura pouco abaixo de A 1, resfriar lentamente ao passar por A 1 ou ciclar acima e abaixo de A 1. 7
Esferoidização 8
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NORMALIZAÇÃO A normalização consiste na austenitização completa do aço, seguida de resfriamento ao ar parado ou agitado. É indicada para a homogeneização da estrutura após o forjamento e antes da têmpera ou revenimento. Aços ligados que temperam ao ar não são normalizados. Pode ser usada para as seguintes aplicações: Refino de grão (por meio de recristalização) e homogeneização da estrutura visando a obter uma melhor resposta na têmpera ou no revenimento posterior; Melhoria da usinabilidade; Refino de estruturas brutas de fusão (peças fundidas) Obter propriedades mecânicas desejadas. 10
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TÊMPERA ENDURECIBILIDADE Endurecibilidade é um termo usado para descrever a habilidade de uma liga em ser endurecida pela formação de martensita como resultado de um dado tratamento térmico. A endurecibilidade representa uma medida qualitativa da taxa segundo a qual a dureza cai em função da distância ao se penetrar no interior de uma amostra como resultado de um menor teor de martensita. Uma liga de aço que possui uma endurecibilidade elevada é uma que endurece, ou que forma martensita, não apenas na superfície, mas em elevado grau também ao longo de todo o seu interior. 12
ENSAIO JOMINY DA EXTREMIDADE TEMPERADA (ASTM A 255) Um corpo de prova cilíndrico com 25,4mm de diâmetro e 100mm de comprimento é austenitizado em uma temperatura predeterminada durante um período de tempo predeterminado. Após a remoção do forno ele é montado rapidamente sobre um suporte. A extremidade inferior é resfriada rapidamente pela ação de um jato de água com vazão e temperatura específicas. Após a peça ter sido resfriada até a temperatura ambiente, chanfros finos e chatos com 0,4mm de profundidade são feitos e polidos ao longo do comprimento do CDP e são realizadas medições da dureza Rockwell para os primeiros 50mm ao longo de cada chanfro; para os primeiros 12,8mm as leituras de dureza são tiradas em intervalos de 1,6mm, enquanto para os demais 38,4mm as leituras são tomadas a cada 3,2mm. Uma curva de endurecibilidade é produzida quando a dureza é plotada como uma função da posição a partir da extremidade temperada. 13
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Água Óleo 17
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Determinar o perfil radial da dureza para uma amostra cilíndrica de um aço 1040 com 2 pol de diâmetro que foi temperada em água moderadamente agitada. 19
TÊMPERA Quando empregado sem qualificativo, o termo têmpera indica um tratamento visando a formação de martensita. A têmpera consiste em resfriar o aço, após austenitização, a uma velocidade suficientemente rápida para evitar as transformações perlíticas e bainíticas na peça em questão. Deste modo, obtém-se estrutura metaestável martensítica. Como diferentes aços apresentam curvas TTT distintas, a taxa mínima de resfriamento necessário para evitar as transformações perlítica e bainítica varia em uma faixa bastante larga. Deve-se observar ainda que, com o aumento do teor de carbono, diminui-se a temperatura para M I e M F. A dureza martensítica aumenta com o teor de carbono. 20
Curva TTT do aço AISI ABNT 1050 21
Curva TTT do aço AISI ABNT 4340 22
Pode gerar austenita retida: Heterogeneidade Redução de propriedades Variação dimensional 23
Para o controle da taxa de resfriamento, utilizam-se diversos meios de têmpera, com diferentes capacidades de extração de calor (severidade). Os meios de têmpera mais comuns são: água (pura, com adição de sal ou com adição de polímeros solúveis em água como poliacrilato de sódio (PA) e polivinil álcool (PVA)), óleo e ar, embora outros meios gasosos possam der empregados (nitrogênio, hélio, argônio, etc.). 24
REVENIMENTO Para atingir os valores adequados de resistência mecânica e tenacidade, deve-se, logo após a têmpera, proceder ao revenimento. O revenimento consiste no aquecimento a temperaturas inferiores a temperatura A c1 para aumentar a ductilidade e tenacidade e ajustar a resistência mecânica ao nível desejado e promover alívio de tensões. 25
Variação das propriedades mecânicas do aço 4340 em função da temperatura de revenimento. 26
TÊMPERA SUPERFICIAL É um processo de têmpera convencional aplicado somente na região superficial da peça. Ideal para produzir peças com alta dureza superficial e, por consequência, com maior resistência ao desgaste, com um núcleo mais mole e dúctil. É o caso de engrenagens, em que se deseja alta resistência ao desgaste na superfície para suportar o atrito de metais, e um núcleo dúctil, para acomodar os impactos recebidos. Para se promover um aquecimento rápido da superfície da peça, utiliza-se o aquecimento indutivo (corrente alternada em bobinas gerando um campo eletromagnético) ou por chama (processo mais lento do que o indutivo, porém mais barato). 27
Diferentes tipos de espiras para o aquecimento indutivo, em função da região a ser aquecida. 28
Diferentes dispositivos para têmpera superficial por chama. 29
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CEMENTAÇÃO Consiste na introdução de C na superfície do aço, de modo que este, depois de temperado, apresente uma superfície mais dura. Para se produzir uma combinação de uma superfície mais dura com núcleo tenaz, deve-se partir de um aço com baixo carbono (C < 0,30%) e aquecê-lo, geralmente, entre 815 e 950 C. Aços como AISI 5120, 8620, 4118, 4620 e 4023 são alguns dos mais comumente empregados para engrenagens, por viabilizarem têmpera posterior em óleo. AISI 9310 e 4320 podem ser empregados em aplicações com solicitações rigorosas. Pode ser feita por via: Sólida; Gasosa; Líquida; Vácuo; Plasma. 31
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CEMENTAÇÃO SÓLIDA As peças de aço são acondicionadas em caixas metálicas, a que se 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 ou alcatrão. 34
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; Não é recomendada para têmpera direta após cementação, devido à dificuldade de desempacotar as peças; É mais lenta que os outros processos de cementação, pois é preciso aquecer e resfriar a peça junto com a caixa que a contém. 35
Efeito do tempo de cementação na profundidade da camada cementada e na distribuição do carbono, para um aço 3115, cementado a 925 C com carvão de madeira, coque e carbonato de sódio 36
CEMENTAÇÃO GASOSA Consiste em se colocar a peça a ser cementada em um forno com atmosfera de potencial de carbono controlado. A cementação gasosa é muito empregada industrialmente. A limpeza inicial da superfície é muito importante para a obtenção de resultados uniformes. Reversível! Aço pode receber (C) ou perder. 37
VANTAGENS Processo mais limpo que por via sólida; Melhor controle do teor de carbono e da espessura da camada cementada; Processo rápido e para produção contínua; Possibilita a têmpera direta, evitando o resfriamento. DESVANTAGENS Custo alto dos equipamentos, se comparados com os da cementação sólida; Requer pessoal habilitado. 38
Gradiente de carbono no aço 1022 cementado a gás, a 920 C. 39
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 o 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. 40
VANTAGENS Obtenção de apreciáveis profundidades de penetração em tempo relativamente mais curto que na cementação a gás, pois a peça entra em contato direto com a massa líquida; Proteção efetiva contra descarbonetação; Possibilidade de operação contínua, pela colocação ou retirada das peças, enquanto outras ainda estão em tratamento. DESVANTAGENS Produz resíduos tóxicos de cianeto; Necessidade de limpeza posterior em alguns casos, como a têmpera em óleo. 41
Perfil de distribuição do carbono após cementação líquida, em barras de aço 1020, utilizando diferentes temperaturas do banho. 42
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 e três horas na temperatura de austenitização para possibilitar a difusão do C. Em seguida, a câmara é evacuada e, posteriormente, preenchida com gás nitrogênio, sendo o aço temperado diretamente em óleo. A amônia pode ser adicionada ao gás cementante se for necessária a introdução de nitrogênio na camada endurecida. O processo oferece uma melhor uniformidade e um controle mais preciso da camada cementada em relação á cementação gasosa. Como o processo todo é a vácuo, as peças saem muito mais limpas que na cementação gasosa, não requerendo limpeza posterior. A emissão de gases também é menor que na cementação gasosa, reduzindo problemas ambientais. Em contrapartida, o custo do equipamento é maior. 43
CEMENTAÇÃO A PLASMA A cementação com plasma usa a tecnologia de descargas luminescentes para fornecer íons de carbono para a superfície da peça. O processo de cementação iônica é mais rápido que o de cementação a gás. Se o metano for usado, por exemplo, na cementação a gás, ocorrerão várias reações de decomposição desse gás. Na cementação iônica a dissociação do metano forma diretamente o carbono ativo, reduzindo o tempo do processo. Temperaturas mais altas podem ser usadas, o que favorece a difusão do C e aumenta o limite de solubilidade do C na austenita. Também em relação à cementação a vácuo a cementação iônica é um processo mais rápido. A camada cementada é mais uniforme. O processo iônico é mais seguro que o a gás, pois não utiliza gases tóxicos como o monóxido de carbono. 44
Perfil de distribuição do C em aço 8620 cementado por 30 minutos a 980 C com diferentes 45 processos
NITRETAÇÃO Introdução superficial de nitrogênio no aço Temperaturas na faixa de (500 570 C) Formação de camada dura de nitretos Menores que a cementação menor distorção Al, Cr, Mo, V maior dureza em comparação com cementação Até 70 HRC 46
NITRETAÇÃO GASOSA Peça em atmosfera de amônia (500 565 C) - Entre os fatores mais importantes para o aumento da vida útil das matrizes de extrusão a quente na indústria de alumínio. - Processo mais utilizado (90 95%) Acréscimo de pressão gera acréscimo de dureza. Dureza em diferentes posições da superfície nitretada a diferentes pressões. 47
NITRETAÇÃO LÍQUIDA O aquecimento é feito na mesma faixa de temperatura da nitretação a gás (500 a 570 C), utilizando um banho a base de cianeto ou cianato. A grande vantagem sobre a nitretação a gás é que o tempo utilizado é bem menor. A desvantagem é que a camada nitretada também é menor (máxima de 0,015mm contra 0,7mm da nitretação a gás). Os aços empregados são: carbono, baixa liga, ferramenta, inoxidável e resistente ao calor. 48
Gradiente de nitrogênio no aço 1015 em função do tempo de nitretação líquida a 565 C. 49
NITRETAÇÃO A PLASMA Bombardeamento de íons de nitrogênio sobre a peça -Aquecimento -Limpeza -Fornecer N ativo Formação da camada branca é melhor controlada ε(fe 2,3 N) Resistência ao desgaste e fadiga, sem choque. γ (Fe 4 N) Menor dureza e resistência ao desgaste, maior tenacidade. Efeito da composição do gás na camada nitretada a plasma. 50
VANTAGENS Possibilidade de controle de fases na região branca: camada monofásica de γ (Fe 4 N), camada monofásica de ε (Fe 2-3 N), camada bifásica de γ (Fe 4 N) + ε (Fe 2-3 N), ou ainda, nenhuma formação destes nitretos; Melhor controle da camada nitretada; Menores temperaturas (tão baixas quanto 370 C); Menor distorção nas peças por trabalhar com menores temperaturas de processo; Não poluente (evita o uso de amônia); Menor consumo de energia; Maior facilidade de automação; Reduz tempo de nitretação. DESVANTAGENS Alto custo do equipamento; Necessidade de fixar as peças com conectores para passagem de corrente elétrica; 51
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