Aulas de Tratamentos Térmicos 2, Notas de aula de Engenharia Metalúrgica
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Aulas de Tratamentos Térmicos 2, Notas de aula de Engenharia Metalúrgica

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Aulas ministradas na disciplina de metalografia e tratamentos térmicos 2
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Microsoft PowerPoint - Tratamentos Térmicos II_2009.ppt

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Tratamentos Térmicos II

Prof. Carlos Eduardo Fortis Kwietniewski

Departamento de Metalurgia - UFRGS

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAços Inoxidáveis

Pináculo (torre) do prédio da Chrysler em Nova York feito de aço inoxidável

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAços inoxidáveis

Ligas especiais → desenvolvidas para resistir a corrosão Primariamente

Outras características → excelente capacidade de conformação, boa tenacidade na T ambiente e a Ts criogênicas, boa resistência à oxidação e à fluência.

Resistência à corrosão: Segredo → Cr

Outros elementos podem ser adicionados para melhorar ainda mais a resistência à corrosão, estabilizar certas fases, incrementar as propriedades mecânicas etc...

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSTipos de aços inoxidáveis

Dúplex Ferríticos Austeníticos

Não podem ser endurecidos por ToTo

Podem ser encruados ou sofrerem transformação martensítica induzida por deformação plástica.

Martensíticos Podem ser temperados e revenidos para alta dureza e resistência.

Endurecíveis por precipitação

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSProjeto da liga

Resistência à corrosão → mínimo de 12%Cr

Segredo → formação de uma camada de óxido de Cr muito aderente à superfície do aço.

Esta camada é muito fina, de apenas algumas camadas atômicas de espessura e protege o aço ou passiva em muitos ambientes corrosivos.

Resultado → os aços inox têm grandes quantidades de Cr

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSDiagramas de Fase Fe-Cr

Cr → estabiliza o Fe-α

Resultado → ↑%Cr

Expansão dos campos de estabilidade das ferritas δ (↑T) e α (↓T).

12%Cr → estabilidade total da ferrita desde a T ambiente até a T de fusão.

Campo da α expande → ↓ campo da γ (lupa austenítica) Este diagrama → base de projeto dos aços inox ferríticos e martensíticos Martensíticos → precisam formar γ → composição dentro da lupa γ expandida (elementos químicos) e suficiente Cr para resist. corrosão. Ferríticos → ↑↑Cr → ferrita é estável em todas as temperaturas

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSEfeito do cromo

À medida que o campo da ferrita se expande, o da austenita se contrai, produzindo o que é frequentemente conhecido como lupa austenítica. Outros elementos estabilizadores da ferrita, como o vanádio e o molibdênio, agem similarmente ao cromo, produzindo a lupa austenítica.

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSElementos de liga

Além do Cr → Ni é o elemento mais importante no projeto dos aços inoxidáveis.

Estabiliza a γ → expande o campo austenítico

Com suficiente Ni, a γ é estável em todas as Ts.

Apenas Fe-Ni → é preciso 30%Ni para estabilizar a γ.

Fe-Cr-Ni → resist. corrosão

↓↓Ni é necessário

Ex.: 18%Cr-8%Ni Totalmente γ desde

bem abaixo da T ambiente até fusão.

Aços Inox Austeníticos

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSElementos de liga

Quase todos os aços inoxidáveis têm três ou mais componentes (elementos químicos), de forma que as suas relações de fases em função da temperatura e composição são representadas por diagramas de fase ternários. No caso de sistemas com mais do que três componentes, diagramas que combinam os vários elementos estabilizadores da austenita e ferrita são estabelecidos e as fases presentes na temperatura ambiente são relacionadas aos dois grupos de elementos de liga. Freqüentemente, seções verticais de sistemas ternários, nas

quais a quantidade de um dado componente é mantida constante, são empregadas para estabelecer as condições de trabalho a quente e tratamento térmico. Por exemplo, a Figura abaixo mostra uma seção vertical através do sistema ternário Fe-C-Cr para uma quantidade de 13% em peso de cromo. Esta seção vertical é, assim, útil na racionalização da microestrutura de aços inoxidáveis martensíticos em função da %C e T.

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSElementos de liga

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

A Figura abaixo mostra seções verticais para várias quantidades constantes de ferro. Ligas ricas em cromo solidificam na forma de ferrita e aquelas ricas em níquel na forma de austenita. Contudo, muitas ligas Fe-Ni-Cr solidificam na forma de misturas de austenita e ferrita, sendo que o líquido coexiste com estas fases durante a solidificação. Estes campos de três fases aparecem na forma de triângulos, mostrados na Figura. Assim, microestruturas ferrítico-austeníticas frequentemente se desenvolvem em aços inoxidáveis.

Elementos de liga

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSElementos de liga

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSMicroestruturas

Conforme a composição química → microestruturas α-γ podem ser formadas.

De fato → aço inoxidável dúplex são projetados para 50%α e 50%γ .

α + γ → solda e peças fundidas Pequena quantidade → diminui a susceptibilidade de trinca a

quente e de contração. Tem maior solubilidade para P e S que causam fissuração em estruturas totalmente austeníticas.

Por outro lado, um conteúdo muito alto de ferrita no metal de solda ou em fundidos de aços inoxidáveis austeníticos pode reduzir a resistência à corrosão e a tenacidade.

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSDiagrama de Schaeffler

Efeito das várias combinações de elementos estabilizadores da γ e α na microestrutura final. Estabilizadores da α → Cr, Mo, Si e Nb Calcula-se Ni e Cr Estabilizadores da γ → Ni, Mn, C e N equivalentes (equações).

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSDiagrama de DeLong

O número ferrita (FN), que pode ser calibrado com atração magnética, já que a austenita não é magnética e a ferrita é, foi selecionado pelo conselho de pesquisa em soldagem para se correlacionar com o conteúdo de ferrita

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAços inoxidáveis austeníticos

Considerações: • Variável estabilidade γ → martensita durante a conformação a frio → AISI 301,302, 304 • ↓C e uso de elementos de liga → evitar carboneto de Cr → corrosão intergranular → AISI 304L, 316L, 321 e 347. • Uso de Mo para aumentar a resistência ao ataque localizado (pites) → AISI 316 •Uso de grandes quantidades de Ni e Cr → resistência à oxidação e a alta temperatura → AISI 309 e 310.

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSInox austeníticos - Microestrutura

AISI 316L recozido Ataque especial para produzir

contraste entre grãos de diferente orientação.

Atacado para somente revelar os contornos de grão.

A microestrutura é basicamente de grãos equiaxiais de γ com maclas de recozimento.

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSInox austeníticos - Microestrutura

Considerações:

• Estes aços são recozidos a altas temperaturas para promover a recristalização e dissolução de carbonetos, seguido por resfriamento em água para evitar a precipitação de carbonetos (ToTo solubilização). • Propriedades mecânicas mínimas típicas: - Tensão de escoamento → 205MPa - Resistência à tração → 515MPa - Alongamento → 40% • Propriamente processados → inox austeníticos → são realmente monofásicos, sem carbonetos, ferrita ou outras fases, com todos os elementos de liga em solução sólida. Nesta situação, é que se consegue máxima resistência à corrosão.

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSCarbonetos intergranulares

AISI 304 com carbonetos de Cr precipitados em contorno de grão.

Condição → sensitizado

Altamente susceptível à corrosão intergranular catastrófica.

Corrosão intergranular causa → esgotamento de Cr ao redor dos contornos de grão devido à precipitação de carboneto de Cr.

M23C6 Metal: Mo, Fe e Cr

%Cr no M23C6 → diminui localmente a %Cr da γ para menos do que 12%, que é a % necessária para garantir “inoxibilidade”. 20

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSCorrosão intergranular - Solução

• Redução do teor de C do aço → Ex.: AISI 304L 3 316L (L=low carbon)

Cinética de precipitação de M23C6 in AISI 304.

Precipitação mais rápida

800-900oC

>950oC → Cr e C estão dissolvidos na γ e não existe força motriz termodinâmica para a precipitação de carboneto de Cr.

< 500oC → ↓ difusão de Cr para a formação de M23C6 → precipitação para Baseado na figura → Inox austeníticos são recozidos ou solubilizados a TS entre 1040 e 1150oC e resfriados rapidamente (temperados) para eliminar a sensitização. Tratamento de solubilização → dissolve os M23C6 Rápido resfriamento → previne a reprecipitação de M23C6 no intervalo crítico de T

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSCorrosão intergranular - Solução

Outra abordagem → eliminar a precipitação de carbonetos de cromo Adição de elementos com forte tendência para formar carbonetos

Ti, Nb e Ta

Aços inox austeníticos → AISI 321 e 347 Ti

Nb Estabilizados

Mecanismo → os elementos de liga formam carbonetos, como o TiC e NbC, reduzindo o carbono disponível para a precipitação de M23C6.

ToTo de estabilização → realizado entre 840-900oC são projetados para produzir a mais efetiva intragranular dispersão de carbonetos de liga. Sob muitas condições → inox austeníticos estabilizados são efetivos em reduzir a formação de carboneto de Cr e ataque intergranular. Contudo → ZTA → dissolução de TiC e NbC, tornando possível a precipitação de M23C6, caso as soldas sejam mantidas ou lentamente resfriadas através do intervalo crítico de T. Solução → submeter a solda a um ToTo final de estabilização. 22

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFormação de martensita

Martensita pode ser formada em aços inox austeníticos: • Termicamente → resfriamento abaixo da T ambiente • Mecanicamente → conformação mecânica a frio

Equação para MS → Aços inox austeníticos

MS (oF) = 75(14,6-Cr) + 110(8,9-Ni) + 60(1,33-Mn) + 50(0,47-Si) + 30000[0,068- (C+N)]

Elementos substitucionais → Cr e Ni → efeito moderado na MS Elementos intersticiais → C e N → efeito muito forte na MS

Forte efeito de estabilização da γ com respeito à formação de martensita.

M23C6 formam nos contornos de grão da γ → C e Cr são removidos da γ adjacente → MS aumenta localmente → martensita pode ser formada

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFormação de martensita

Formação de martensita induzida por deformação plástica: Acontece numa T maior do que a formação de martensita no

resfriamento.

Parâmetro MD = maior T que uma % projetada de martensita se forma sob certas condições definidas de deformação.

Este parâmetro é usado para caracterizar a estabilidade da γ relativa à deformação.

MD30(oC) = 413 – 462(C+N) – 9,2(Si) – 8,1(Mn) – 13,7(Cr) – 9,5(Ni) – 18,5(Mo)

T na qual 50% de martensita é formada por 30% de deformação verdadeira em tração.

Novamente → C e N → efeito muito forte na estabilidade da γ Resultado → aços com extra baixo C (304L) são muito sensíveis à formação de martensita induzida por deformação plástica. Vantagem → AISI 301 e 302 → ↓Cr e Ni → deformação a frio → formação de martensita → importante aumento de resistência mecânica. 24

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Formação de martensita induzida por deformação

304 → mais estável → menor aumento de resistência do que 301

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Formação de martensita induzida por deformação

Extensão de formação de martensita → depende da T, taxa de ε, ε, além da composição química.

Efeito da T e ε na formação de martensita induzida por ε no 304.

• ↓T → ↑ % martensita mesmo para ↓ε • ↑ε → ↑ % martensita • ↑ taxa de ε → ↑ % martensita 26

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSOutras fases em aços inox austeníticos

Idealmente → austeníticos → microestruturas com 100% γ Contudo → devido à segregação durante a solidificação → α tende

a se formar, sendo comum em fundidos e soldas de inox austeníticos. Peças conformadas → são homogeneizadas por trabalho a quente

Pequenas seções e chapas → estrutura γ uniforme

Seções espessas e forjados → ↓ trabalho a quente

Mostram alguma α intragranular

α-δ em um aço AISI 304L

Alongada por laminação

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSOutras fases em aços inox austeníticos

Ferrita-δ em inox austenítico → pode levar à formação de fase-σ Pode afetar negativamente a ductilidade, tenacidade

e resistência à corrosão dos inox austeníticos.

Fase-σ → características: fase intermetálica com quantidades iguais de Fe e Cr. Estrutura cristalina complexa (tetragonal de corpo centrado) com 30 átomos por célula unitária, podendo conter outros elementos, como o Mo. Fase-σ → em aços austeníticos com Fe-δ → forma-se nas áreas de δ, porque o Cr (principal elemento da σ) já está concentrado nestas áreas.

Transformação δ → σ → é lenta e depende da composição da liga.

Portanto → Fase-σ é encontrada em inox austeníticos que foram submetidos a longos períodos de tempo a ↑T (500-700oC).

Outras fases → além de ferrita, sigma e M23C6 → vários carbonetos e nitretos de liga, e outras fases intermetálicas, como Laves (η) e chi (χ).

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFase-σ

Aço: 316 T= 660oC t = 80.000h

Extração eletrolítica de precipitados

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSOutros aços inox austeníticos

Além dos austeníticos conformados contendo ~18%Cr e 8%Ni

Outros grupos foram desenvolvidos para aplicações específicas.

Cada austenítico conformado → tem um similar fundido com designação específica.

CF-3 → 304L CF-8 → 304 CF-3M → 316L CF-8M → 316 Austeníticos fundidos → composição química modificada para

facilidade de fundição.

Particularmente → ↑% Cr e Si ↓% Ni

Como resultadoPresença de Fe-δ↓ trinca a quente

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSOutros aços inox austeníticos

Muitos austeníticos → são resistentes ao calor Nesta classes → ↑↑%Cr e Ni

Resistência à oxidação e resistência mecânica a alta T

Novamente → existem classes conformadas e fundidas

309 e 310

HH e HK Outras classes fundidas → ↑↑%C do que as classes conformadas

Carbonetos de liga

Importante componente microestrutural

↑ resistência à fluência Austeníticos resistentes ao calor → usados em Ts de até 1100oC

Muitas vezes em ambientes agressivos

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSOutros aços inox austeníticos

Outros grupos → com substituição parcial do Ni AISI 200 → ligados ao Mn e N (estabilizadores da γ)

Propriedades e características de encruamento similares aos tipos 301 e 302.

Alguns tipos → ↑% Mn e N e ↓% Ni → ↑ resistência mecânica

Trademark → Nitronic → tensão de escoamento: 345-480MPa

Significativamente maior do que a série 300

Novo austenítico → “super nitrogen” → até 1%N

Ainda maior resistência com bom nível de tenacidade.

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSToTo de aços inox austeníticos

Já visto → inox austeníticos → não podem ser endurecidos por tratamento térmico, como têmpera para formar martensita ou por endurecimento por precipitação.

Possibilidades: Adição de elementos de liga → solução sólida • Conformação mecânica a frio → encruamento e/ou transformação martensítica induzida por deformação plástica.

Tratamentos térmicos: Recozimento → recristalização → restauração da ductilidade de material encruado. • Tratamentos para prevenir a precipitação de carbonetos de Cr → podem incluir tratamentos de solubilização para dissolver os carbonetos de Cr ou tratamentos de estabilização para causar a precipitação de carbonetos de liga, reduzindo a disponibilidade de C para a precipitação de carbonetos de Cr. • Alívio de tensões → aplicado a soldas (cuidar com o intervalo crítico de T).

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAços inoxidáveis Ferríticos

Cr → principal elemento de liga → garante a estabilidade da α para todo o intervalo de T. C → é mantido baixo → garantir alta tenacidade e ductilidade e

prevenir a formação de γ (o carbono expande a lupa austenítica).

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAços inoxidáveis Ferríticos - Microestrutura

Inox ferrítico recozido policristalino monofásico

Recozimento → recristalização de material encruado 760-966oC Rápido resfriamento → evitar a formação de fases prejudiciais

à ductilidade e tenacidade.

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Aços inox Ferríticos – Propriedades mecânicas Inox ferríticos → não podem ser endurecidos por ToTo Ferrita → taxa de encruamento é baixa

Reduz a ductilidade Consequentemente → ferríticos → não são frequentemente

endurecidos por trabalho mecânico a frio.

Propriedades mecânicas: Valores típicos de material recozido: • Tensão de escoamento → 240-380MPa • Resistência à tração → 415-585MPa • Alongamento → 20-35%

Ductilidade e tenacidade → dependem de muitos fatores • Temperatura → ↓T → ↑ resistência e ↓ ductilidade e tenacidade

Inox ferríticos → apresentam uma transição dúctil/frágil Coalescência de microcavidades

ClivagemT de transição dúctil/frágil

Austeníticos não (aplicações criogênicas)

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAços inox Ferríticos – Propriedades mecânicas

Ductilidade e tenacidade → dependem de muitos fatores • Tamanho de grão → grão fino → ↑ ductilidade e tenacidade • Elementos intersticiais → ↓ intersticiais → ↑ ductilidade e tenacidade • Partículas de segunda fase → eliminação → ↑ ductilidade e tenacidade

Práticas modernas de aciaria, como desgaseificação a vácuo, permitiram uma importante redução dos teores de C e N, que por sua vez reduz ou mesmo elimina os precipitados de carbonetos e nitretos.

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAços inox Ferríticos – Fases intermetálicas

Inox ferríticos → expostos durante operação ou processamento 500-1000oC → fases intermetálicas frágeis

ProeminenteFase-σ

Domina a parte central do diagrama Fe-Cr

Ver slide 6 Fases intermetálicas → combinação de Fe, Cr e Mo e outros metais

de transição.

Estruturas cristalinas complexas contendo muitos átomos.

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAços inox Ferríticos – Fases intermetálicas

Fases intermetálicas formadas a 850oC em um aço inoxidável ferrítico 25Cr-3Mo-4Ni. Formação nos contornos e dentro dos grãos. A fase-σ domina a microestrutura após 300 minutos a 850oC. A presença de Ni pode levar à formação de austenita adjacente à fase-σ. Tudo indica que a diminuição dos teores de cromo e molibdênio e a concentração de níquel em áreas próximas às partículas de fase-σ diminuem a estabilidade da ferrita, sendo esta fase substituída então pela austenita.

Fase-χ Fase-σ

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFases intermetálicas – Cinética de formação

Cinética de formação → curva C

Depende da composição química do aço.

25Cr-3Mo-4Ni

Menos liga → ↑tempos de incubação

Úteis porque definem as faixas de temperatura que podem ser usadas para dissolver as fases, bem como as faixas que devem ser evitadas por rápido resfriamento para prevenir a precipitação das fases intermetálicas. Também indicam as temperaturas de operação que devem evitadas na aplicação dos aços inoxidáveis ferríticos. 40

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAços Inoxidáveis Martensíticos

Inox Martensíticos → podem ser forjados e então ToTo

Austenitização, têmpera e revenido Aplicações que precisam manter o gume de corte,

alta resistência, alta dureza e resistência ao desgaste.

ToTo de têmpera → é possível através do balanceamento do teor de Cr que garanta resistência à corrosão e permita total transformação para austenita dentro da lupa austenítica no aquecimento.

Lupa austenítica → expandida por C e N

Assim → ↑ C e N → tornam possível se alcançar a lupa austenítica mesmo em aços com alto teor de Cr.

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAços Inoxidáveis Martensíticos

Lupa austenítica: Efeito do C e N

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAços Inoxidáveis Martensíticos

Alguns aços → ↓ C → dureza limitada a 45HRc → AISI 403 e 410 Outros aços → ↑ C → 60HRc → os AISI 440

Precisam ter mais Cr → para compensar pelo Cr preso na forma de carbonetos de Cr.

Devido ao alto Cr → ↑ temperabilidade → temperados ao óleo ou mesmo ao ar.

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSInox Martensíticos – Tratamentos térmicos

Recozimento → produzir ferrita e carbonetos esferoidizados

Máxima ductilidade e usinabilidade Aquecimento subcrítico 650-760oC Ou maiores temperaturas e resfriamento lento

AISI 416 recozido

Grãos de ferrita e carbonetos esféricos.

Setas → inclusões de sulfeto (MnS) para maior usinabilidade (0,15S min.)

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSInox Martensíticos – Tratamentos térmicos

Endurecimento → austenitização entre 925-1065ºC

têmpera em óleo ou resfriamento ao ar.

Austenitização → T ideal depende do grau de solubilização dos carbonetos desejado e necessidade de evitar a formação de Fe-δ por superaquecimento.

↑T → ↑ dissolução de carbonetos ↑ resistência à corrosão ↑ resistência mecânica

Inox martensíticos → condutividade térmica menor do que aço comum Necessidade de pré-aquecimento: 760-790oC

Minimizar distorção e fissuração no aquecimento.

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSInox Martensíticos – Tratamentos térmicos

AISI 403 temperado → martensita em ripas (↓C) Aços com Cr e C → podem conter importantes frações volumétricas de carbonetos e γ retida (AISI 440). 46

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSInox Martensíticos – Tratamentos térmicos

AISI 410 temperado e revenido.

Esquerda → austenitização a 925oC. Direita → austenitização a 1010oC. Observações:

• Dureza mantida até 450oC • ↑T austenitização → dissolve mais Cr, tornando o pico de endurecimento secundário mais evidente. •Fragilização do revenido entre 425-565oC. Evitar esta faixa de T de revenido.

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação Inox endurecíveis por precipitação → alta resistência e tenacidade,

com uma resistência à corrosão mínima (adequada). Motivação → superar as seguintes limitações:

Resistência mecânica → alcançada por solução sólida e encruamento das classes austeníticas e ferríticas. • Ductilidade e tenacidade → alcançada pela classe martensítica. Mecanismo → o aumento de resistência ocorre por precipitação de

compostos intermetálicos, tal como o Ni3Al, em uma matriz austenítica ou martensítica dúctil de baixo carbono. Compostos com Cu ou Ti também.

Matrizes → obtidas através do balanço dos elementos de liga: • Martensítica Austenítica metaestável → pode ser convertida para martensita • Austenítica completamente estável

ToTo Envelhecimento ou precipitação 48

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Classificação → Temperatura MS e MF e comportamento a partir da solubilização.

Inox endurecíveis por precipitação

Assim, três classes de aços: - Martensíticos - Semiausteníticos - Austeníticos

ToTo Envelhecimento ou precipitação

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação

Alguns aços representativos das diferentes classes. Estes aços → série AISI 600 Normalmente → nomes comerciais

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Inox endurecíveis por precipitação - Martensíticos Característica → ↓C e Ni → MF logo acima da T ambiente

Assim → γ tem baixa estabilidade e se transforma para martensita de baixo carbono na T ambiente (solubilização).

Sofre aumento de resistência mecânica por envelhecimento a baixa T que causa a precipitação de intermetálicos muito finamente distribuídos na matriz martensítica.

Ni3Al

PH 13-8 solubilizado e envelhecido

Revenido visível da matriz que ocorre durante o tratamento de envelhecimento.

Tensão de escoamento: 760 → 1240MPa

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Inox endurecíveis por precipitação – Semiausteníticos Ex.: 17-7 PH (17%Cr-7%Ni)

MS < T ambiente → Totalmente austeníticos → dúcteis (YS 275MPa)

Deformáveis nesta condição!

Tratamento de condicionamento: Austenita → Condicionamento

Precipitação de carbonetos

Sobe MS e MF

Transformação martensíticaEnvelhecimento

Aumento de resistência mecânica

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Inox endurecíveis por precipitação – Semiausteníticos Condicionamento da γ:

Baixa T (730-760oC) → MF próximo a T ambiente

Transformação martensítica

Envelhecimento (450-510oC) → endurecimento

Alta T (930-955oC) → menos carbonetos precipitados

MF < 0oCSubzero completa a transformação

Martensita tem mais C → mais dura → Envelhecimento → endurecimento

Passa de 275MPa (austenítico) → 1275-1725MPa

Transformação martensítica + envelhecimento

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Inox endurecíveis por precipitação - Austeníticos Ex.: A–286 Alta quantidade de níquel (24-27%Ni) MS muito baixa → não pode ser transformado Similares ao inox austeníticos Endurecimento → precipitação de compostos

intermetálicos na matriz austenítica

Resistência ao escoamento → 690 MPa

Não são tão resistentes quanto os martensíticos e semiausteníticos, mas apresentam excelente desempenho mecânico a elevada T sendo amplamente empregados na indústria aeroespacial.

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAços inoxidáveis dúplex

São projetados e processados → quantidades iguais de α e γ

Composição química → ↑ Cr e Mo → boa resistência à corrosão por pites, por fresta e corrosão sob tensão em meios contendo sulfetos e cloretos.

Com uma resistência mecânica duas vezes superior a do aço inox austenítico recozido.

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAços inoxidáveis dúplex

Composição química → varia de 17 a 30%Cr varia de 3 a 13%Ni

Geralmente, como o Cr mais alto e o Ni mais baixo para garantir adequada estabilidade para a α.

Dúplex 7Mo-Plus

Fase branca → γ Matriz → α

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

As propriedades mecânicas dos aços inoxidáveis dúplex são uma função do comportamento em deformação da ferrita e austenita. A Figura abaixo mostra as curvas tensão-deformação verdadeiras, obtidas por ensaios de tração em amostras planas de um aço inoxidável dúplex Al 2205. À medida que a temperatura do ensaio diminui, as resistências ao escoamento e à tração aumentam significativamente, sem uma queda respectiva da ductilidade. Este comportamento reflete a dependência importante da resistência ao escoamento da ferrita com a temperatura, isto é, é nítido o aumento acentuado desta propriedade quando a temperatura de teste cai abaixo da temperatura ambiente, o que seria acompanhado normalmente por uma diminuição abrupta de ductilidade. Contudo, a austenita compensa pela ductilidade mais baixa da ferrita, em parte porque desenvolve taxas acentuadas de encruamento, através de transformação martensítica induzida por deformação.

Aços inoxidáveis dúplex Comportamento mecânico:

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAços inoxidáveis dúplex

Comportamento mecânico:

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFases deletérias

Os aços inoxidáveis dúplex altamente ligados, similares aos aços inoxidáveis austeníticos e ferríticos, estão sujeitos a efeitos deletérios de outras fases, além da ferrita e austenita, na resistência à corrosão, ductilidade e tenacidade. A ferrita é susceptível à formação de fase-σ entre 600 e 950oC, bem como de carbonetos de cromo entre 560 e 1050oC. Como resultado, é crucial que se faça o rápido resfriamento através dos intervalos críticos de temperatura, durante a fabricação e o processamento, assim como se reconheça as temperaturas limite de operação.

Soldas sempre é um problema!

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Modernamente, outras classes de aços inoxidáveis dúplex têm sido produzidas, como os aços super e hiperdúplex. De fato, tudo indica que o parâmetro conhecido como resistência ao pite equivalente (PRE), cujo valor pode ser definido pela equação apresentada na Figura, é o critério de classificação empregado.

Novos aços Dúplex

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Aços Ferramenta

Ferramentas de fresamento, furação e corte

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Aços ferramenta → ligas utilizadas na fabricação de ferramentas, matrizes e moldes, que dão forma e cortam outros materiais, incluindo aços, metais não-ferrosos e polímeros.

São ligas especiais, porque: - Grandes quantidades de liga - Difíceis de fabricar

Custo final de uma ferramenta:

- Rota de fabricação (forjamento x metalurgia do pó) - Matéria-prima

Aços Ferramenta

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Sucesso na aplicação de um aço ferramenta:

- Matéria-prima → livre de defeitos, segregação e controle de inclusões. Inclusive é importante a correta seleção do aço.

- Projeto da ferramenta → baixo risco de fratura durante a fabricação e operação, bem como longa vida útil. Reduções abruptas de seção, cantos vivos e outras singularidades geométricas de mesmo efeito devem ser evitados.

- Tratamento térmico → Finalmente, uma ferramenta produzida com a melhor matéria-prima e projeto adequado pode falhar em serviço, como conseqüência de uma microestrutura desfavorável (erro no tratamento térmico).

obs.: O sucesso de uma ferramenta é resultado da multiplicação destes 3 fatores e não da soma!

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Classificação dos aços ferramenta

Sistema → Instituto Americano de Ferro e Aço (AISI) Critério → Características fundamentais:

- Presença de elementos de liga: aços rápidos ao W ou Mo - Aplicação: para trabalho a frio ou a quente - Tratamento térmico: temperáveis em água, ar ou óleo

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Principais grupos de aços ferramenta - AISI

• Temperáveis em água → Grupo W • Baixa liga para aplicações especiais → Grupo L • Resistentes ao choque → Grupo S • Temperáveis em óleo para trabalho a frio → Grupo O • Temperáveis ao ar para trabalho a frio → Grupo A • Alto carbono, alto cromo para trabalho a frio → Grupo D • Para trabalho a quente → Grupo H • Aços rápidos ao tungstênio → Grupo T • Aços rápidos ao molibdênio → Grupo M • Para moldes → Grupo P

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Manufatura dos aços ferramenta

Fusão primária → forno elétrico a arco (75% de sucata de aço ferramenta)

Refino → adição de elementos de liga: Cr, V, W, Mo, Co, Si e Mn

Após ajuste da composição química → lingotamento convencional

Conformação mecânica → forjamento e laminação Dar a forma desejada ao produto Melhorar as propriedades mecânicas da liga

Refino do grão e distribuição dos carbonetos

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Conformação a quente distribuição de carbonetos Uma distribuição não uniforme dos carbonetos pode produzir baixa

tenacidade e uma resposta ineficiente ao tratamento térmico. Efeito da matéria-prima

Certos aços

Possuem carbonetos

Distribuição

Desempenho

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Rota alternativa de produção Metalurgia do pó

Rota tradicional de fabricação → difícil de ser aplicada para aços de alto C e alta liga.

Lenta velocidade de resfriamento do lingotamento convencional

Formação de estruturas grosseiras de carbonetos difíceis de serem “quebradas” por trabalho a quente.

Problemas: crescimento de grão excessivo, resposta não uniforme ao ToTo, propriedades transversas inferiores e baixa tenacidade.

Metalurgia do pó → capacidade de produzir uma distribuição fina e uniforme de carbonetos, devido a rápida solidificação, durante a atomização, por exemplo.

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Aço T15 - Rota tradicional x metalurgia do pó

Rota tradicional Metalurgia do pó

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Metalurgia do pó: Vantagens Resultado da fina e regular

distribuição de carbonetos. - Maior usinabilidade no estado recozido

- Melhor resposta ao tratamento térmico

- Retificação facilitada na condição de máxima dureza

- Tenacidade superior

Desvantagem → maior custo e disponibilidade Obs.: Sempre considerar o custo de peça produzida

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Princípios de tratamentos térmicos de aços ferramenta

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Recozimento

Objetivo → reduzir a dureza para aumentar a usinabilidade

No processo de fabricação, o recozimento fica entre as operações de conformação mecânica e usinagem.

Microestrutura alvo → esferoidita (carbonetos esferoidizados dispersos em uma matriz de ferrita.

Proteção contra oxidação e descarbonetação → necessária

Fornos a vácuo e de atmosfera controlada e banhos de sais

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Esferoidita

Carbonetos esferoidizados na ferrita Aço AISI 52100

Carbonetos primários e secundários Aço D2

obs.: Geralmente, o aço ferramenta vem da usina na condição de recozido! obs.: A qualidade da matéria-prima é avaliada com base na forma, tamanho e distribuição dos carbonetos primários.

Carboneto primário

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSRecozimento

O recozimento (esferoidização) é realizado através do aquecimento até a temperatura em que toda a ferrita se transforma para austenita. As partículas de carbonetos são retidas e esferoidizadas, e a austenita se transforma para ferrita e carbonetos esferoidizados adicionais no resfriamento. Se os aços ferramenta forem recozidos a temperaturas muito altas, os carbonetos de liga se dissolveriam e a austenita enriquecida de carbono poderia formar carbonetos nos contornos de grãos ou transformar para perlita ou mesmo martensita no resfriamento, produzindo uma microestrutura muito dura para ser usinada. Da mesma forma, a alta temperabilidade dos aços ferramenta faz com que o lento resfriamento da temperatura de recozimento seja essencial para garantir que a austenita se transforme em esferoidita ao invés de perlita ou martensita.

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Tratamentos térmicos para alívio de tensões

Tensões internas ou residuais → presentes mesmo sem tensão externa aplicada.

Origem → Aquecimento e resfriamento não-uniforme entre a superfície e o centro da peça.

Deformação plástica não-uniforme entre a superfície e o centro da peça.Tipos:

- Trativas → prejudiciais → pode causar trincas durante as etapas de fabricação e também reduzir a resistência à fadiga e a tenacidade. - Compressivas → geralmente benéficas → diminuem a tensão efetiva aplicada, aumentando a resistência à nucleação e propagação de trincas por fadiga.

Controle destas tensões → fundamental em todas as fases dos TosTos

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Quando:

Após usinagem e retificação Gera tensões residuais que durante a

têmpera podem produzir trincas e distorção.

Retificação → pode produzir tensões residuais em ferramentas temperadas e revenidas, que durante serviço podem levar à ruptura (trincas).

Recozimento para alívio de tensões

Tipicamente para aços ferramenta, o alívio de tensões é realizado a 650oC, sendo que o resfriamento de grandes seções a partir desta temperatura deve ser realizado lentamente até pelo menos 300oC. Esta precaução reduz os gradientes de temperatura entre a superfície e o núcleo das peças, evitando o desenvolvimento de novas tensões residuais.

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Endurecimento

Etapas do processo:

- Austenitização - Têmpera - Revenido

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSConsideração

Necessidade de pré-aquecimento Lembrando:

Aquecimento → expansão e depois contração

Temperatura não é uniforme

Diferenças de temperatura entre a superfície e o núcleo

Mudanças dimensionais ocorrem a diferentes tempos como uma função da posição.

Mudanças de volume localizadas

Produzem tensões

Distorção e fissuração

Pré-aquecimento

Promove uniformidade da temperatura ao longo da seção da peça.

Minimiza o choque térmico e o risco de trinca e empenamento 78

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A etapa de austenitização é muito crítica no endurecimento de um aço ferramenta. É nesta etapa que ocorre a “distribuição” final dos elementos de liga entre a matriz austenítica (que formará martensita) e os carbonetos retidos. Esta distribuição fixa a composição química, fração volumétrica e dispersão dos carbonetos retidos. Os carbonetos retidos não somente contribuem para a resistência ao desgaste, mas também controlam o tamanho de grão austenítico. Quanto mais finos os carbonetos e maior a sua fração volumétrica, mais eficiente é o controle do tamanho de grão austenítico. Assim, se a austenitização for realizada a uma temperatura muito alta, um crescimento de grão indesejável pode ocorrer, à medida que os carbonetos de liga coalescem ou se dissolvem na austenita.

Austenitização

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Os elementos de liga que não estão “presos” na forma de carbonetos, estão em solução na austenita. De fato, estes carbonetos retidos, consequentemente, controlam a composição química da austenita. Esta, por sua vez, define a temperabilidade, a temperatura Ms, quantidade de austenita retida e o potencial de endurecimento secundário de um aço ferramenta.

Austenitização

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A Figura abaixo mostra o efeito da temperatura de austenitização e de tratamentos subzero nas curvas de revenido de um aço ferramenta AISI A2. A mais alta dureza na condição de como-temperado e revenido (sem subzero) é produzida pela austenitização a 950oC. Neste caso, após a têmpera, a austenita retida está finamente dispersa e numa quantidade mínima, de forma que o resfriamento subzero tem um efeito mínimo sobre a dureza. Com o aumento da temperatura de austenitização, uma maior quantidade de elementos de liga entra em solução, a temperatura Ms cai e mais austenita é retida na temperatura ambiente. Como resultado, a dureza na condição de como-temperado e revenido cai, sendo que o resfriamento subzero tem um grande efeito, à medida que maior é a fração volumétrica de austenita retida que se transforma em martensita durante este resfriamento. A Figura também mostra que eventualmente o revenido, através de uma combinação da transformação da austenita retida e endurecimento secundário, também aumentará a dureza de estruturas como-temperadas com grandes quantidades de austenita retida. O que não está mostrado na figura é o aumento indesejável do tamanho de grão austenítico que ocorre à medida que mais carbonetos se dissolvem com o ↑ T de austenitização.

Austenitização

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAustenitização

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Temperabilidade A temperabilidade da maioria dos aços ferramenta é alta. Assim,

a têmpera em óleo ou o resfriamento ao ar, dependendo da composição química da liga, condições de austenitização e tamanho da seção transversal, é suficiente para produzir as microestruturas e propriedades especificadas, com uma mínima distorção e trincas de têmpera.

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Temperabilidade Uma diferença fundamental entre estes aços e os aços

ferramenta de alto carbono é o efeito importante da austenitização e conteúdo de carbonetos retidos na temperabilidade. Por exemplo, altas temperaturas de austenitização diminuem a quantidade de carbonetos de liga, deixando um maior teor de liga na matriz austenítica, aumentando, consequentemente, a temperabilidade. Assim, o efeito dos elementos de liga na temperabilidade de aços de alto carbono pode ser bem diverso, intrinsecamente dependente das condições de austenitização.

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFormação de carbonetos em contorno de grão

Os aços ferramenta são susceptíveis à formação de carbonetos nos contornos de grão, durante o endurecimento por têmpera em óleo ou por resfriamento ao ar. A Figura abaixo mostra, esquematicamente, os efeitos de três taxas de resfriamento na transformação de um aço ferramenta típico. A temperabilidade alta dos aços ferramenta suprime efetivamente a formação de perlita para todas as taxas de resfriamento. A formação de bainita é também prontamente suprimida, exceto em ferramentas de grande seção transversal. Contudo, a formação de pequenas quantidades de carbonetos nos contornos de grão da austenita é difícil de suprimir, como mostra a intersecção das duas taxas de resfriamento mais lentas com a curva que marca o início da formação de carbonetos Ci. Estas quantidades pequenas de carbonetos não afetam significativamente a dureza, mas reduzem a resistência à fratura, podendo levar à formação de trincas na têmpera ou desempenho reduzido de aços para matrizes de trabalho a quente, como o H13.

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Formação de carbonetos em contorno de grão

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A segregação de fósforo para os contornos de grão da austenita durante a austenitização para o endurecimento também contribui para problemas de fratura em aços de alto carbono. A combinação de fósforo segregado e alto teor de carbono leva à formação de cementita em contorno de grão, mesmo durante a têmpera em óleo, reduzindo a resistência à fratura dos contornos de grão de austenita prévia. Como resultado, se as tensões de têmpera ou serviço forem altas o suficiente, pode ocorrer a falha por fratura intergranular, especialmente em aços com grão austenítico grosseiro. A susceptibilidade à fratura nos contornos de grão pode ser reduzida por controle da temperatura de austenitização, que é especificada de tal forma a produzir grãos austeníticos finos. Nestes últimos casos, quando as microestruturas forem endurecidas e revenidas a baixa temperatura, a fratura ocorre por cisalhamento transgranular ou fratura dúctil associada com a formação de microvazios ao redor das partículas retidas de carbonetos.

Formação de carbonetos em contorno de grão

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Aço ao carbono e baixa liga temperado e revenido→ martensita se transforma para ferrita e partículas de carbonetos.

↓ baixa T de revenido → finas partículas de carbonetos!

Revenido

Redução de dureza, mas a queda não é tão importante. Carbonetos de transição

↑ T de revenido → formação de Fe3C

Fe3C se torna instável e as partículas crescem, produzindo uma redução importante de dureza.

88

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSRevenido

Em aços ferramenta altamente ligados, o revenido pode ser usado não somente para aumentar a dureza (através de endurecimento secundário), como também para produzir uma dispersão de carbonetos de liga estáveis, resistentes ao coalescimento durante a exposição ao calor. De fato, a formação de carbonetos de elementos de liga, que produz o endurecimento secundário, requer a difusão dos elementos formadores destes carbonetos, além do carbono. Os átomos destes elementos se movimentam basicamente por difusão substitucional através do reticulado cúbico de corpo centrado do ferro na condição microestrutural de martensita revenida. Este processo é caracterizado por baixos coeficientes de difusão. A difusão mais lenta torna as distâncias percorridas por difusão muito curtas, produzindo carbonetos de elementos de liga muito finos e pouco espaçados (mecanismo responsável pelo endurecimento secundário). Esta mesma difusão lenta retarda o coalescimento dos carbonetos durante serviço em elevada temperatura, tornando os aços ferramenta resistentes ao amolecimento durante operações de trabalho a quente, como em forjamento ou fundição por injeção e operações de usinagem em alta velocidade.

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Comportamento no revenido

Classe 1 → aços ao carbono e baixa liga. A dureza cai e a tenacidade aumenta com a T de revenido. Classe 2 → aços para trabalho a frio, com média a alta liga. Os elementos retardam o amolecimento. Classe 3 → aços rápidos com grande liga. Os carbonetos de liga formados no revenido não só evitam o amolecimento, como promovem endurecimento secundário. Classe 4 → aços para trabalho a quente A dureza se mantém com o aquecimento, mas a dureza é menor devido ao menor conteúdo de carbono do aço.

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Transformação da austenita retida e múltiplos revenidos A austenita retida se transforma em ferrita e cementita durante o

revenido. Em aços de baixa liga, como discutido em capítulos anteriores, a austenita retida se transforma para ferrita e cementita entre 200 e 350oC. A austenita em aços ferramenta de alta liga, contudo, é muito mais estável e não se transforma completamente até que temperaturas superiores a 500oC sejam alcançadas. A figura abaixo mostra mudanças na dureza e na quantidade de austenita retida no aço ferramenta AISI H13 em função da temperatura de revenido. É aparente que alguma austenita retida se mantém até altas temperaturas de revenido.

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Transformação da austenita retida e múltiplos revenidos

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Transformação da austenita retida e múltiplos revenidos

Um inconveniente, contudo, da transformação da austenita retida durante o revenido é a formação de carbonetos interripas. Estes carbonetos são grosseiros e planares, sendo supostamente responsáveis por reduções importantes de tenacidade ao impacto. O duplo revenido, assim, tende a esferoidizar os carbonetos, reduzindo o seu efeito fragilizante. Acredita-se que o duplo revenido também tenha o efeito de revenir alguma martensita que tenha sido formada pela transformação da austenita retida em martensita durante o resfriamento da temperatura do primeiro revenido. De fato, a formação de martensita após o revenido é atribuída à precipitação de carbonetos de liga na austenita durante o endurecimento secundário. Como resultado do teor reduzido de carbono e liga da austenita retida, as temperaturas Ms aumentam e martensita se forma no resfriamento até a temperatura ambiente.

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Finalmente

- Cada aço ferramenta tem a sua temperatura ótima de revenido. Existem tabelas que apresentam estas temperaturas. - O revenido deve ser realizado logo após a têmpera - Recomenda-se um lento aquecimento até a T de revenido para se evitar o acúmulo de tensões e distorção. - Resfriamento lento da temperatura de revenido é recomendado para evitar a formação de tensões residuais.

Todos estes comentários a respeito dos tratamento térmicos aplicados aos aços ferramenta têm como objetivo deixar claro ao engenheiro que o desempenho de uma ferramenta ou matriz pode estar intimamente ligado à qualidade do ToTo empregado.

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Aços ferramenta temperáveis em água – Grupo W

- Estes são essencialmente aços ao carbono com uma pequena quantidade de elementos de liga. - É a classe mais barata de todos os aços ferramenta - Contudo, requer atenção no processamento e ToTo para que se alcance o desempenho esperado. - %C → principal fator no controle das propriedades e resposta ao ToTo. - ↓ liga → produz pequena quantidade de carbonetos de liga → menor resistência ao desgaste se comparados a outros aços mais ligados. - ↓ temperabilidade → têmpera severa em salmoura ou água - Mesmo com têmpera severa → endurecimento raso → alguns casos → benéfico, já que produz uma superfície dura e resistente ao desgaste e um núcleo macio e tenaz.

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Aços ferramentas de baixa liga para aplicações especiais Grupo L

- Muito similares aos aços do grupo W, mas com uma quantidade um pouco maior de elementos de liga. - Mais liga → maior resistência ao desgaste e maior temperabilidade, podendo alguns aços serem temperados em óleo → menor alteração dimensional - Correntemente → apenas os tipos L2 e L6 são produzidos

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Aços ferramenta resistentes ao choque – Grupo S

Desenvolvidos para produzirem uma boa combinação de alta dureza, alta resistência e alta tenacidade ou resistência ao impacto.

Além do Mn, Cr e Mo, adicionados aos aços ferramenta para fornecer temperabilidade e resistência ao revenido, o silício é uma importante adição, única para os aços do tipo S.

Si → Resistência ao revenido e uma microestrutura com sensibilidade à fratura reduzida. O tungstênio também é adicionado em quantidades significativas na classe S1.

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Estratégia metalúrgica

Manter o C ao redor de 0,5%

Martensita de alta resistência

Sem carbonetos grosseiros que reduzem a tenacidade.

Aços ferramenta resistentes ao choque – Grupo S

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Aços ferramenta temperáveis em óleo para trabalho a frio – Grupo O

- Alta dureza e alta resistência ao desgaste → como resultado do alto carbono e pequenas adições de elementos de liga. - Alto carbono → martensita de alta dureza (dureza é função da %C) - Elementos de liga → moderada temperabilidade → têmpera ao óleo

Não tem quantidade suficiente para produzir muitos carbonetos e garantir dureza a quente, necessárias para usinagem em alta velocidade ou trabalho a quente.

Portanto → estes aços são restritos para operações de trabalho a frio.

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Aços ferramenta temperáveis em óleo para trabalho a frio – Grupo O

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSMicroestrutura

Estrutura recozida a 725oC, com lento resfriamento. Ferrita e carbonetos esferoidizados.

Austenitizado a 815oC, temperado em óleo e revenido a 220oC. 58,5HRc Martensita + alguns carbonetos

Superaquecido (980oC), temperado em óleo e revenido a 220oC. Martensita + alta fração volumétrica de austenita retida.

Estrutura fragilizada (trincas de têmpera)

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAustenitização

De fato, a temperatura de austenitização, assim como a composição química, têm um efeito importante sobre a temperabilidade dos aços da classe O. Até uma certa temperatura (se excessivamente alta pode produzir os efeitos adversos descritos no slide anterior), quanto maior é a temperatura de austenitização maior é a quantidade de carbono e de elementos de liga em solução e maior é a temperabilidade do aço, como mostra a figura abaixo. Esta figura também mostra que o aço O7, se comparado ao aço O1, por ter um maior teor de elementos com grande tendência de formar carbonetos, acaba por produzir uma maior fração volumétrica destas fases, o que compromete a temperabilidade (compare a figura a com b).

102

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Temperabilidade

AISI O1

Menos carbonetos o que produz maior temperabilidade, porém menor resistência ao desgaste. ↑T austenitização → ↑temperabilidade

AISI O7

Maiores teores de Mo, W e V, bem como mais carbono. Mais carbonetos e menor temperabilidade

18

103

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFormação de grafita

Alguns aços da classe O, como o O6, apresentam grafita na sua estrutura. A formação desta fase é resultado da presença de carbono e silício em teores altos. De fato, o silício é um elemento grafitizante, que tende a impedir ou dificultar a formação de cementita. Como resultado, parte do carbono deste aço acaba ficando na forma de grafita, o que resulta em uma maior usinabilidade na condição de recozido (ver Figura a) e um melhor desempenho em serviço na condição temperado e revenido (ver Figura.b), devido a efeito de lubrificação sólida produzido pela grafita.

104

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Aço AISI O6

Recozido: ferrita + Carbonetos

Grafita

Temperado e revenido: Martensita + alguns carbonetos + grafita

Formação de grafita

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAços ferramenta temperáveis ao ar para

trabalho a frio – Grupo A

Segredo de sucesso → combinação de alto carbono com relativa alta quantidade de liga.

Garante têmpera ao ar e a formação de carbonetos primários

Estes carbonetos são mais duros que a própria martensita, o que aumenta sensivelmente a resistência ao desgaste destes aços se comparados a aços com menor quantidade de liga. o endurecimento ao ar produz mínima distorção e resistência à fissuração durante o endurecimento.

Apesar de terem uma boa resistência ao revenido, mostrando inclusive endurecimento secundário, estes aços apresentam uma dureza a quente bem inferior a outros aços ainda mais ligados, de forma que não são usados para operações de usinagem em alta velocidade ou trabalho a quente.

Conclusão → Aços do tipo A → operações de trabalho a frio 106

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Aços ferramenta temperáveis ao ar para trabalho a frio – Grupo A

107

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSMicroestruturas

Característica mais aparente

Dois tamanhos de carbonetos

Grandes → Primários

Não se dissolvem mesmo com trabalho a alta T

Resultado da combinação de alto C com alta liga

Carbonetos menores

Formados durante o recozimento ou revenido

Recozido

Carbonetos primários

↑ Quantidade carbonetos secundários

Temperado e revenido a 150oC

Dissolução de carbonetos secundários. Sem alteração de carbonetos primários.

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Endurecimento

Pré-aquecimento para a austenitização → 650-675oC Diminui o tempo na T de austenitização e, portanto,

reduz o tempo para a descarbonetação. É uma preocupação devido a alta %C destes aços.

Notável característica → têmpera ao ar Bloco de 50 x 150 x 250mm → endurecido totalmente para 63-65HRc com o resfriamento ao ar.

Susceptível à descarbonetação → reduz a dureza da peça temperada

Portanto → aquecimento ao vácuo, banho de sais ou atmosfera controlada.

19

109

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Temperatura de austenitização (endurecimento)

T baixa → deixa C e liga na forma de carbonetos, reduzindo a temperabilidade e a dureza na peça temperada.

T alta → muito C e liga na austenita, tendo como resultado uma grande quantidade de austenita retida.

Dureza como-temperado X

Temperatura de austenitização

Comportamento parabólico

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Revenido

Revenido do aço A com três temperaturas de austenitização. Além disso → aço comum com 1%C

aço O2

A2 → maior resistência ao revenido Pequeno pico de endurecimento

secundário a 510oC

Mais intenso → ↑T austenitização

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Aços ferramenta de alto carbono e alto cromo para trabalho a frio – Grupo D

São os aços para trabalho a frio mais altamente ligados! O Cr é o principal elemento de liga (~12%)

Outros elementos → Mo, V, W, Co, Ni e Mn

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- Alto carbono e alta liga → endurecimento profundo - Temperáveis ao ar → exceto o D3 (temperado em óleo)

Características

Isto garante mínima distorção e baixo risco de trincas

- Alto carbono e alta liga → grande fração volumétrica de carbonetos que promove alta resistência ao desgaste para operações de trabalho a frio. - D7 → maior quantidade de carbonetos → maior resistência ao desgaste de todos os aços do grupo D.

Endurecimento profundo

Com tanto Cr, estes aços podem ser considerados Inox?

O que precisa para ser considerado Inox?

113

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Microestrutura

Transversal Longitudinal

Aço D recozido

Observar:

- Carbonetos primários - Carbonetos primários alongados na direção de laminação a quente.

- Carbonetos secundários formados no recozimento

- Carbonetos alongados

Material anisotrópico

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Microestrutura

Carboneto primário

Carboneto secundário

Aço D temperado

Maior parte dissolvido durante o aquecimento para a têmpera.

Estes não se dissolvem

Microestrutura: Martensita+austenita retida+ carbonetos

20

115

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Processamento

- Aços D → baixa condutividade térmica → gradientes de T entre o núcleo e a superfície da peça → distorção e fissuração

Pré-aquecimento (650-700oC)

- Recozimento antes da usinagem ou endurecimento

Endurecimento

- Alta teor de liga → alta temperabilidade - Resfriamento ao ar → formação de martensita para seções relativamente profundas. - D2 → corretamente austenitizado → totalmente endurecido para 62-64HRc em um bloco de 75 x 150 x 250mm - Mo → aumenta a temperabilidade - D3 → sem Mo → precisa de têmpera em óleo - Aquecimento em atmosfera neutra para evitar a descarbonetação

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Efeito da T de austenitização

Dureza como-temperada x

T de austenitização

- Cada aço tem uma faixa ótima de T de austenitização para alcançar máxima dureza → ótima dissolução de carbonetos → quantidade certa de C e liga na austenita. - ↓ T → ↓ dissolução de carbonetos → menor dureza - ↑ T → ↑ quantidade de carbono e liga em solução → ↑ Austenita retida

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Revenido

- Os aços do grupo D mostram uma grande resistência ao amolecimento (revenido). - Algumas condições → acentuado pico de endurecimento secundário.

- Aços D → baixa tenacidade - Martensita de alto carbono - Grande densidade de carbonetos grosseiros - Tensões residuais

Revenido diminui as tensões residuais e aumenta a tenacidade e a plasticidade da martensita.

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAços ferramenta para trabalho

a quente – Grupo H - Resistem ao amolecimento durante longas e repetidas exposições a alta temperatura, como em operações de conformação a quente e fundição sob pressão.

119

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Etapas de tratamento térmico

- Altas temperaturas de austenitização empregadas → Pré-aquecimentos - Resfriamento ao ar ou banho quente - Revenido antes de se alcançar a T ambiente - Múltiplo revenido para prolongada vida útil

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Aspectos de interesse

• Carepa → camada de óxido que se forma na superfície da ferramenta durante o ToTo deve ser deixada nas ferramentas, a menos que esteja excessivamente espessa ou associada a uma camada descarbonetada.

Muito resistente à abrasão e ajuda a reter o lubrificante

Diminuindo os efeitos do desgaste

Ferramentas lixadas e polidas → tendem a sofrer escoriação e agarre (emperramento) mecânico.

Se for indispensável o tratamento da superfície

Reaquecimento abaixa da T de revenido

Nova formação da camada

21

121

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Aspectos de interesse

- Antes da operação → pré-aquecimento das ferramentas e matrizes

Minimiza choques térmicos

- Períodos de repouso → manter as ferramentas mornas

- Refrigeração da matriz → previne superaquecimento local, tornando a temperatura de operação mais baixa e uniforme.

- Injeção → resfriamento interno por circulação de água - Forjamento → borrifos de água, óleo ou ar

- Cuidado → para se prevenir a corrosão no armazenamento das ferramentas após o tratamento térmico.

Pequenos pontos de oxidação podem se tornar pites de corrosão quando a ferramenta for colocada em serviço.

122

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAços do grupo H ao cromo

Embora a dureza a quente seja inferior a de outros aços do grupo H, a alta resistência ao choque destes aços os torna preferidos para a maior parte das aplicações de trabalho a quente, principalmente quando as ferramentas precisam ser refrigeradas com água ou outro líquido. De fato, o segredo da grande tenacidade e alta resistência ao choque destes aços é o baixo teor de carbono.

123

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Endurecimento

- Devido ao bom conteúdo de Cr → alta temperabilidade Endurecimento com resfriamento ao ar

- Outra característica → baixo a médio carbono Este é o segredo da boa tenacidade

e resistência ao choque.

O teor de C controla a temperatura MS

Baixo a médio C → alta MS

Menor quantidade de austenita retida Detalhe → pode haver a precipitação de carbonetos nos contornos de

grão, que podem causar fratura intergranular.

Importante Preservar a fratura 124

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSTemperatura de austenitização

↓ T austenitização → baixa dureza

Baixa dissolução de carbonetos

↓C e liga em solução

↓ temperabilidade → ↓ Martensita

↑ T austenitização → maior dureza

Maior dissolução de carbonetos

Matrizes pequenas → total endurecimento Matrizes grandes → parcial endurecimento

Resfriamento ao ar:

125

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Revenido

Aços H ao Cr → boa resistência ao amolecimento durante o revenido

Bom desempenho em operações de trabalho a quente

Dureza inicial mais baixa devido ao conteúdo modesto de carbono Curvas bastante planas em função da T

de revenido Dureza mantida por endurecimento

secundário → carboneto de vanádio

126

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Fadiga térmica dos aços ferramenta H11/H13

Principal PrincipalRede Rede Flutuações de T

e tensão

Redes de trincas finas e rasas

Fadiga térmica

Limita a vida da ferramenta

Trincas cobertas de óxidos

Ranking = Trinca Principal + Rede

22

127

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Fadiga térmica dos aços ferramenta H11/H13

Profundidade das trincas → pode ser correlacionada aos números

Severidade da fadiga térmica → soma dos números

Aumento do número de ciclos → aumenta a severidade da fadiga térmica e a profundidade das trincas.

Estimar a profundidade de retificação necessária para remover a rede de trincas.

Muito grosseiras → estas trincas influenciam negativamente no acabamento superficial das peças injetadas.

128

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Tensões térmicas – Fadiga térmica

A medida que o metal se solidifica e resfria, a superfície contrai e tensões trativas são estabelecidas na superfície da matriz.

Trincas → causadas por tensões cíclicas Se desenvolvem quando a superfície

da matriz é aquecida a temperaturas maiores do que o seu interior.

Metal líquido entra em contato com a superfície da matriz Tensões superficiais compressivas se desenvolvem, a medida

que a superfície da matriz expande e é restringida pelo interior mais frio.

São estas tensões cíclicas que produzem as trincas de fadiga

129

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSComo amenizar?

Baixo coeficiente de expansão térmica e boa condutividade térmica ajudam a minimizar os gradientes térmicos e as tensões cíclicas.

Matrizes de injeção de alumínio → Pré-aquecidas reduzir os gradientes de T entre a superfície e o núcleo.

Maiores temperaturas de operação das matrizes pré-aquecidas também aumentam a tenacidade do aço ferramenta e a tenacidade à fratura.

Diminuindo assim a magnitude das tensões cíclicas que leva à formação das trincas.

Qualidade da matéria-prima: Inclusões e carbonetos grosseiros → ↓ resistência à fadiga térmica. Evitar a descarbonetação e a cementação durante o ToTo.

Atmosferas controladas ou fornos a vácuo. 130

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFadiga térmica - Controle

Atenção em ferramentas acabadas por eletroerosão: Da superfície para o núcleo da ferramenta, forma-se uma

camada frágil bruta de fusão com altas tensões residuais trativas, uma camada dura de martensita não revenida e uma camada mais macia de martensita superrevenida. Esta microestrutura é muito sensível aos efeitos da fadiga térmica. O polimento ou abrasão remove as estruturas frágeis e substitui as tensões residuais trativas por compressivas, aumentando a vida em fadiga.

131

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- São os mais duros de todos os aços para trabalho a quente - Oferecem excelente resistência ao amolecimento e à erosão por metal líquido. - Microestrutura com muitos carbonetos de liga → é isto que garante a elevada dureza e resistência ao desgaste.

Contudo → Menor tenacidade e maior susceptibilidade à fratura frágil.

- Esta é a razão para se usar baixo carbono Quanto menos carbono, maior é a tenacidade do

aço. Mesmo assim → menor resistência ao choque térmico do que os aços ao cromo.

Não podem ser rapidamente resfriados com água durante operação sem o risco de ruptura.

Aços do grupo H ao tungstênio

132

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Quando usar então?

Matrizes de aços ao tungstênio são usadas quando máxima resistência a quente e resistência ao amolecimento a elevadas temperaturas são os principais requisitos, e a resistência ao choque, ainda que importante, é uma consideração secundária.

Assim:

Vários tipos de aços H ao W → oferecem várias combinações de resistência ao desgaste e à erosão a alta temperatura e tenacidade.

Tudo depende da quantidade de carbono e liga, bem como de tratamento térmico.

23

133

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Austenitização e revenido

Aço AISI H21

Austenitizado em 3 temperaturas

Aumento da T austenitização promove: • ↑ dureza na condição de “como- temperada”. • ↑ pico de dureza no revenido • Maior T que resiste ao amolecimento.

134

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Aços do grupo H ao molibdênio Os aços do grupo H ao molibdênio foram desenvolvidos durante

a última grande guerra para suprir a escassez de tungstênio, sendo que apresentam propriedades intermediárias entre aqueles ligados ao cromo e ao tungstênio. De todos os aços deste grupo já produzidos, o aço AISI H42 é o único ainda amplamente utilizado. A composição nominal deste aço é 5%Mo, 6%W, 2%V e 4%Cr, sendo disponível com várias concentrações de carbono. A presença de elementos de liga em quantidades importantes

garante a formação de uma grande fração volumétrica de carbonetos, o que controla a dureza e promove endurecimento secundário durante o revenido.

135

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Aços rápidos

- Mantêm alta dureza a temperaturas elevadas: 52HRc a 540oC e 48HRc a 595oC. - High-speed steeel vem de High-speed cutting, isto é → aço rápido para usinagem em alta velocidade. - Principal propriedade → dureza a quente = dureza ao rubro - Grande quantidade de carbonetos de liga na microestrutura tratada termicamente. - Endurecimento profundo com resfriamento ao ar calmo. - Pronunciado endurecimento secundário no revenido -Grupos M ou T → depende se o principal elemento de liga é o Mo ou W

Características:

136

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Aços rápidos

137

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Características

- Aços M e T têm praticamente o mesmo desempenho - Questões econômicas → os aços M são mais utilizados - Diferença de custo → peso atômico do molibdênio é aproximadamente a metade do tungstênio. Assim, em peso menos Mo é necessário para produzir desempenho equivalente. - Os átomos de Mo e W têm raios atômicos similares e formam praticamente os mesmo tipos de carbonetos. - A substituição de 1,6 a 2,0% em peso de W por somente 1% em peso de Mo produz microestruturas e propriedades marcadamente similares nos aços rápidos. - Aços do grupo M podem ser subdivididos → Mo + tungstênio limitado

Mo + adições substanciais de W Mo → M1, M7 e M10 Mo-W → M2, M3 e M4

- M1, M2 e M10 e T1 →similares em propriedades e desempenho em corte, podendo ser usados intercambeavelmente para muitas aplicações. - Cada subgrupo M → inclui Co → mais Co → Superduros (70HRC revenido)

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Austenitização

- Etapa crítica no tratamento térmico de aços rápidos - Temperatura muito alta, pouco abaixo do ponto de fusão do aço - Tempos de austenitização muito curtos → 2 a 5 minutos - Dois pré-aquecimentos → minimizar choque térmico - Carbonetos primários nunca de dissolvem - Temperaturas de austenitização: Aços T → 1290oC

Aços M → 1220-1230oC - Funções da austenitização: Determina a fração volumétrica de carbonetos

Controla a composição química da austenita Será transformada para martensita

Aumenta a quantidade de carbono da matriz para uma quantidade adequada para supersaturar a martensita, bem como causar endurecimento secundário.

24

139

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Microestruturas temperadas – Aço T1

Austenitizadas as várias T

a → subaquecimento (870º) Fração muito alta de

carbonetos b → propriamente aquecida a

1260oC Carbonetos de liga residuais

dispersos na matriz martensítica c-d → superaquecidas a 1290 e 1320oC, respectivamente

c → carbonetos coalescidos com ↓martensita e muita austenita retida.

d → fusão parcial 140

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Austenitização Tamanho de grão

Ferramentas propriamente endurecidas

Grãos finos

Aço AISI T6 austenitizado em várias temperaturas

(1260-1315oC)

↑T austenitização → maior grão

Carbonetos finos e bem distribuídos

Boa matéria-prima

Grãos finos e uniformes

141

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Transformações no resfriamento e endurecimento

- Aços rápidos → alta liga → alta temperabilidade

Endurecem profundamente

- Embora endureçam ao ar → normalmente são temperados em sal ou martemperados na faixa de 540-650oC.

Isto promove a equalização da temperatura ao longo da seção da peça, diminuindo o nível de distorção e chance de fissuração.

- Objetivo do endurecimento → formar martensita e preparar a matriz para o endurecimento secundário.

- Microestrutura de “como-temperado” → martensita + carbonetos primários + austenita retida. - Dureza do aço temperado depende da T de austenitização

142

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Revenido e dureza dos aços rápidos

- Condição de “como-temperada” → martensita + carbonetos primários + austenita retida

70%, 10% e 20% respectivamente → normalmente - Principal modificação microestrutural do revenido

Precipitação de carbonetos

143

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Revenido

Curvas de revenido para os aços M1 e T15

Picos de endurecimento secundário que pode superar a dureza inicial.

Isto não acontece para outros aços com menos liga

Endurecimento secundário

Precipitação de carbonetos de liga

Início → 315oC Pico → 510-565oC

144

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Revenido – Efeito da T de austenitização

Aço T1

↑ T de austenitização

↑ Precipitação de carbonetos

↑ Endurecimento secundário ↑ Dureza para todas T de

revenido

25

145

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Austenita retida

Em aços rápidos → muito estável Praticamente, não se transforma no

revenido. Transforma → resfriamento da T de revenido para

martensita.

Precisa ser revenida

Por isso, usa-se duplo e triplo revenidos

Reduz a tenacidade do aço

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Aços para moldes – Grupo P

Requisitos essenciais: Usinabilidade → preparar as cavidades internas dos moldes com alta produtividade e mínimo desgaste das ferramentas. • Capacidade de polimento → importante para matrizes usadas para a moldagem de plásticos transparentes, onde uma superfície muito lisa no produto final é mandatório. Para estas aplicações, o aço precisa ser livre de inclusões, ter uniformidade química e microestrutural e alta dureza superficial. • Resistência ao desgaste → material que flui dentro da matriz ou molde pode causar sério desgaste. É necessária uma superfície dura e resistente ao desgaste. • Alta dureza superficial → além de capacidade de polimento e resistência ao desgaste, alta dureza superficial é necessária para resistir à indentação. • Alta resistência do núcleo → prevenir o “afundamento” da matriz com as tensões de trabalho. • Tenacidade → resistir a choques mecânicos e térmicos • Mínima alteração dimensional no endurecimento → prefere-se materiais para matrizes que precisem mínimo acabamento para ajuste do dimensional após o ToTo. • Resistência à corrosão → Alguns plásticos são altamente corrosivos. • Resistência à perda de dureza no revenido → temperaturas levemente altas estão envolvidas na moldagem de alguns produtos. Matriz perde dureza → sofre desgaste

147

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Aços para moldes – Grupo P

148

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Três grupos principais de aços do tipo P:

Aços ao carbono para cavidades produzidas por “hubbing” Aço com carbono muito baixo (<0,12%), que precisam ser cementados para

produzirem alta dureza superficial e resistência ao desgaste. A resistência ao desgaste é função da % liga e % C, sendo que para o aço P4 cementado de alto cromo esta propriedade é similar a do aço temperável ao ar para trabalho a frio A2. O baixo carbono do núcleo endurecido dos aços P cementados produz uma microestrutura de alta tenacidade e resistência ao choque. • Aços ao carbono para cavidades produzidas por usinagem

Dentro deste grupo, pode-se citar os aços P20 e P21 com maior conteúdo de C que precisam ter as cavidades usinadas e talvez cementadas para aumentar a dureza superficial e resistência ao desgaste. • Aços inoxidáveis

São usados aços inoxidáveis martensíticos. São empregados quando se exige uma boa resistência à corrosão, nos casos em que o material de trabalho é altamente corrosivo (alguns plásticos que desprendem HCl) ou quando as condições de operação causam oxidação e corrosão das superfícies das cavidades.

149

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Ferros Fundidos

Ponte em arco feita de ferro fundido construída em 1779 na Inglaterra. 150

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFerros Fundidos

Introdução Ferros fundidos → classe de ligas ferrosas com conteúdo de C

superior a 2,11% em peso. Contudo → Grande parte do FosFos tem entre 3 a 4,5%C e

elementos de liga.

Reexaminado o diagrama Fe-C → percebe-se que ligas com esta composição se tornam completamente líquidas entre 1150-1300oC.

Resultado → fácil fusão e moldagem

Na verdade → alguns FosFos são muito frágeis, de forma que a fundição é o processo de fabricação mais conveniente. Apresentam alta fluidez, sendo muito convenientes para peças de geometria complexa. Menor contração na solidificação, o que atenua problemas dimensionais e alta usinabilidade.

26

151

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFerros Fundidos

152

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSRelações entre as fases

Diagrama Fe-C → reação eutética envolve um líquido com 4,3%C

Pode envolver a formação de cementita ou grafita:

• L (4,3%C) = A (2,11%C) + Cementita (6,67%C)

• L (4,3%C) = A (2,08%C) + Grafita (100%C) ou

Detalhe → a forma e a morfologia da fase rica em carbono determina a natureza de um dado FoFo.

Ferros fundidos podem ser: • Hipoeutéticos → %C < composição do eutético • Hipereutético → %C > composição do eutético • Eutéticos → %C = composição do eutético

A estrutura eutética de austenita e cementita recebe o nome de Ledeburita.

153

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

FosFos → contêm elementos que alteram significativamente os contornos ou linhas dos campos de fase no diagrama Fe-C.

Necessidade → isotermas ternárias ou seções verticais precisam ser usadas para aproximar as relações de fases.

Silício → elemento químico fundamental em FosFos.

Relações entre as fases

Seção vertical do sistema Fe-C-Si a 2,00% de silício.

As composições do eutetóide e eutético são alteradas para menores teores de carbono e campos de três fases existem para uma faixa temperaturas. 154

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSRelações entre as fases

Figura mostra → carbono na forma de cementita.

Contudo → Si → promove a formação de grafita, assim como o Al, B (<0,15%), Cu, Ni e Ti (<0,25%).

Outros → Bi, B (>0,15%), Cr, Mn, Mo, Te,V e Ti (>0,25%) → tendem a reduzir o potencial de grafitização em FosFos.

155

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSEfeito do Si e C

Faixas de C e Si associadas com aços e os vários tipos de FosFos. Os FosFos cinzento e nodular, que solidificam direto para grafita e austenita têm maiores teores de Si e C do que os FosFos branco e maleável, que solidificam como austenita e cementita. Figura anterior → Si diminui a %C do

líquido eutético. Este efeito é avaliado quantitativamente pelo carbono equivalente (C.E.):

ou

3 %%%.. PSiCEC ++=

SiCEC %3/1%.. +=

Quando existe uma % alta de P 156

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSEfeito do Si e C

C.E. = 4,3 → indica que uma liga é de composição eutética, como é o caso para uma liga Fe-4,3%C ou qualquer liga em que a soma de Fe, Si e P dê 4,3, de acordo com as equações anteriores.

A taxa de resfriamento também afeta a solidificação, de forma que um resfriamento mais lento ou mais

rápido favorece a formação de grafita ou cementita, respectivamente.

Valores de C.E. maiores ou menores do que 4,3, produzem ligas hiper e hipoeutéticas, respectivamente.

Detalhe → um mesmo FoFo pode formar grafita em seções espessas e de resfriamento lento e cementita em seções finas de rápido resfriamento.

27

157

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSComposição química

Faixas de composição química para FosFos não ligados. Considerações: • ↓ S em solução sólida → promove a formação de matriz ferrítica • ↑ S em solução sólida ou Mn acima do necessário para combinar com o S → promove a formação de matriz perlítica. • P >0,2% → forma estrutura eutética de baixo ponto de fusão, conhecida como steadita, que consiste de fosfeto de ferro e ferrita ou fosfeto de ferro, cementita e ferrita. Este constituinte se forma no último líquido a se solidificar, promovendo fluidez, sendo uma microestrutura dura e relativamente frágil de FosFos cinzentos. • Outros elementos → adicionados por razões específicas.

158

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFoFo Branco

Solidificação → produz microestruturas de carbonetos e γ Duros e frágeis. Produzem uma superfície de fratura

plana e refletiva, que dá o nome aos FosFos brancos.

Condições favoráveis: • Teores relativamente baixos de C e Si • Resfriamento rápido • Seções transversais de pequenas dimensões

159

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Propriedades mecânicas: FoFo Branco

Dureza → muito alta (50HRc ou maior) Depende da fração volumétrica de

carbonetos e da microestrutura da matriz. Virtualmente, não usináveis (acabamento por

retífica). Detalhe → apesar da alta dureza, a microestrutura do FoFo branco

é indesejável em FosFos cinzentos.

Contudo → algumas vezes, esta microestrutura é incorporada em área do cinzento que requerem alta resistência ao desgaste.

Como? → uso de “chills” (coquilhadores) nos moldes de fundição. Insertos metálicos ou de grafite nos moldes que

causam transferência de calor rápida e localizada. Com isso, obtém-se microestruturas com carbonetos ao invés de grafita.

160

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFoFo Branco

Propriedades mecânicas: Apesar da baixa tenacidade → estas ligas são empregadas

em aplicações que requerem alta resistência ao desgaste, bem como resistência à corrosão e à oxidação.

Si, Ni e Cr → garantem proteção contra a corrosão e resistência ao calor e a oxidação.

161

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFoFo Branco

Tipos: Não ligado ou baixa liga → microestrutura: cementita + perlita, sendo muito frágeis. • Maior tenacidade → adição de moderadas quantidades de Ni e Cr (por exemplo: 4%Ni e 2,5%Cr) → microestrutura: carbonetos + martensita → maior resistência mecânica e resistência à corrosão e à oxidação. • Alta liga → contêm de 15 a 30% de Cr, sendo usados em operações de trituração de minério e em outras operações severas em meios corrosivos → microestrutura: carbonetos + matriz (pode variar de perlita para misturas de austenita e martensita, o que depende da composição química e taxa de resfriamento.

162

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFoFo Branco - Tipos

Não ligado Hipoeutético → < 4,3%C • Eutético → = 4,3%C • Hipereutético → > 4,3%C

28

163

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFoFo Branco - Tipos

Não ligado Eutético:

Pequenos glóbulos de perlita em um fundo de cementita (ledeburita). 164

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFoFo Branco - Tipos

Não ligado Hipoeutético:

Dendritas de perlita, áreas pontilhadas de ledeburita e áreas brancas de cementita.

165

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFoFo Branco - Tipos

Não ligado Hipereutético:

Longos cristais de cementita em um fundo de ledeburita. 166

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFoFo Cinzento

Solidificação → formação de grafita com morfologia de “flocos”, veios ou lamelas.

Fratura → grafita na superfície produz uma aparência “cinza” que dá ao cinzento o seu nome.

Não atacado

Atacado (matriz perlítica)

167

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFoFo Cinzento

Superfície de fratura:

Grafita

Tendência de fratura secundária ao longo da interface veio de grafita/matriz. 168

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFoFo Cinzento

Variantes dos veios de grafita: Função da taxa de resfriamento e composição química!

5 tipos de grafita de acordo com as especificações AFS-ASTM. Estas são imagens reduzidas, mas na norma estão disponíveis a 100X.

29

169

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFoFo Cinzento

Propriedades mecânicas → diretamente relacionadas a sua microestrutura.

Veios de grafita → praticamente, sem resistência mecânica

Resultado↓↓ Resistência à fratura sob cargas de tração ou flexão.

Alguns dados: • Resistência à tração = 152MPa • Ductilidade < 1,0% F

oFo cinzento de matriz ferrítica.

Contudo → a resistência à tração e dureza podem aumentar com a transformação da matriz para perlita ao invés de ferrita ou mesmo produzindo uma distribuição da grafita que reduza caminhos contínuos e preferenciais de fratura através da microestrutura.

170

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFormação dos Ferros Fundidos

171

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFoFo Cinzento

Propriedades mecânicas: Alta resistência à compressão + excelente capacidade de

amortecimento de vibrações → tornam estas ligas muito adequadas para equipamentos pesados e fundações de máquinas-ferramenta. Detalhe → o processo de fundição pode produzir formas

complicadas de uma variedade de tamanhos, que seriam difíceis ou mesmo impossíveis de serem produzidas por conformação.

Além disso → muitos fundidos recebem uma usinagem de acabamento, o que é fácil devido a alta usinabilidade destas ligas.

172

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Alívio de tensões → aliviar tensões internas produzidas por um resfriamento não uniforme dos fundidos com forma irregular. • Recozimento → aumentar a usinabilidade

Aquecimento subcrítico para ambos TosTos

550-650oC aliviar tensões internas sem reduzir significativamente a resistência e a dureza.

700-760oC reduzir a dureza para aumentar a usinabilidade através da esferoidização da matriz perlítica.

900-955oC campo de fases austenita-carbonetos- grafita → usadas para transformar carbonetos massivos e duros em grafita. Detalhe → microestruturas com carbonetos massivos (FoFo branco) podem se

formar em seções finas de FosFos cinzentos. Estas são praticamente impossíveis de serem usinadas e, sempre que possível, devem ser evitadas.

FoFo Cinzento Tratamentos térmicos:

173

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFoFo Nodular

FoFo nodular → também conhecido como FoFo dúctil Solidificação → formação de grafita com morfologia esférica

Crescimento das esferas de grafita é causado pela inoculação de cério ou magnésio no metal fundido.

Não atacado

Atacado (matriz ferrítico-perlítica)

“Olho-de-boi” 174

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFoFo Nodular

Superfície de fratura:

Grafita

30

175

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFoFo Nodular

Matriz → a transformação da austenita para ferrita, perlita ou ambas é uma função dos elementos de liga presentes e da taxa de resfriamento.

Cinzento ou nodular → solidificado → austenita + grafita Reduzindo a temperatura → diminui a solubilidade de C na γ

Consequentemente → precipitação adicional de grafita na forma de veios ou nódulos.

Continuando o resfriamento → γ pode formar ferrita e grafita, com a grafita adicional crescendo nos veios ou nódulos existentes.

Este processo é favorecido pela presença de Si, Al e pequenas quantidade de Ti. Além disso, visto que depende da difusão de C, ocorre mais facilmente para menores taxas de resfriamento.

Continuando o resfriamento → γ também pode se transformar em perlita. Este processo ocorre quando uma maior taxa de resfriamento é imposta e na presença de elementos de liga, como o Mn, Cr e Mo.

176

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSMatriz – Efeito dos elementos de liga

Resultado → dependendo da composição química e das condições de processamento, a microestrutura da matriz de FosFos cinzentos e nodulares pode ser inteiramente ferrítica, perlítica ou uma mistura.

177

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFormação dos Ferros Fundidos

178

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFoFo Nodular

Propriedades mecânicas: Partículas esféricas de grafita → promovem um aumento importante

de resistência à tração, ductilidade e tenacidade.

Exemplo → FoFo nodular de matriz ferrítica tem uma resistência à tração de 414 MPa e um alongamento de 18%.

↑resistência e ↓ ductilidade → através de aumento da resistência da matriz.

Resistência à fratura → muito mais dependente da microestrutura da matriz do que para os FosFos cinzentos, com a sua rede interconectada de veios de grafita.

Conclusão importante → devido à benéfica dispersão de grafita, fundidos de FoFo nodular competem com peças forjadas de aço.

179

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Não somente alívio de tensões e recozimento, mas também aqueles TosTos aplicados aos aços. Microestrutura mais dúctil → matriz completamente ferrítica

ToTo de “ferritização” → austenitização a 900oC, seguido por manutenção a 700oC, a fim de transformar completamente a austenita em ferrita e grafita. Normalização + revenido → produz uma matriz perlítica de

maior resistência mecânica e resistência ao desgaste. Têmpera + revenido → produz a microestrutura de maior

resistência mecânica. Austêmpera → tem sido cada vez mais empregada, mas precisa

atender requisitos especiais, que serão descritos em detalhe em seguida.

FoFo Nodular Tratamentos térmicos:

180

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFoFo nodular austemperado

Solidificação → FoFo nodular

ToTo de austêmpera

Austenitização + transformação isotérmica

Bainita Propriedades mecânicas:

• Maior resistência mecânica com boa ductilidade e tenacidade se comparados ao FosFos nodulares temperados e revenidos.

Importante → adição de Mn, Ni e Mo → para adquirir mínima temperabilidade e evitar a formação de perlita no resfriamento até a temperatura de transformação isotérmica.

Com perlita → reduziria a tenacidade

31

181

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFoFo nodular austemperado

Propriedades mecânicas:

182

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFoFo nodular austemperado

Austenita → transformação em 2 estágios durante a transformação isotérmica. • 1º estágio → formação de placas de ferrita e rejeição de C para a austenita adjacente. A austenita de alto C é muito estável, sendo um componente da estrutura do FoFo nodular austemperado que tem alta resistência e tenacidade. Bainita → mistura de ferrita e austenita é diferente da clássica

estrutura bainítica de ferrita e carboneto, produzida em aços baixa liga e médio carbono. Sem cementita → conseqüência do alto Si em FosFos nodulares

austemperados. Efeito do Si → tem solubilidade muito baixa na estrutura cristalina da

cementita, de forma que precisa ser rejeitado de áreas de crescimento da cementita. Como resultado, a formação de cementita é retardada devido à necessária difusão do Si.

183

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFoFo nodular austemperado

Austenita → transformação em 2 estágios durante a transformação isotérmica. • 2º estágio → decomposição da austenita que fica entre as placas de ferrita para ferrita e carbonetos. Só ocorre após longos tempos, de forma que torna possível a difusão do Si a partir da cementita que cresce. A formação desta microestrutura (ferrita + carbonetos) reduz a ductilidade e a tenacidade dos FosFos austemperados. Portanto, a transformação isotérmica deve ser interrompida antes deste estágio.

184

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

α

α

α α

α

α α

γ (ALTO CARBONO)

γ (ALTO CARBONO)

γ α + γ (ALTO CARBONO)

ToTo de austêmpera

185

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFoFo nodular austemperado

Microestrutura: FoFo nodular austemperado → 3,72%C, 2,32%Si, 0,42%Mn e

0,05% Mg, austenitizado a 900oC por 1h e austemperado em sal a 370oC por 1h.

Matriz

Ferrita bainítica + γ

Forma de placas Entre as placas (branca – 37%)

186

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFoFo Maleável

Distribuição e morfologia da grafita → similar ao FoFo nodular

Resultado → fundidos com ductilidade e tenacidade, recebendo o nome de “maleável”. Contudo → processo de produção muito diferente daquele

empregado para produzir FosFos nodulares.

Primeiramente → produção da peça em FoFo branco. Seguido → ToTo para transformar os carbonetos em grafita

Detalhe → os FosFos maleáveis têm teores de C e Si reduzidos se comparados aos FosFos cinzentos e nodulares, a fim de promover a formação de carbonetos no resfriamento. Contudo, uma mínima quantidade de C é necessária para manter boa fluidez e uma taxa razoável de grafitização durante o ToTo.

32

187

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFoFo Maleável

ToTo de maleabilização → produz grafita que é grosseiramente esférica, mas muito mais irregular do que os nódulos de grafita encontrados nos FosFos nodulares.

Atacado (matriz ferrítica)

• Resistência à tração = 275MPa • Alongamento = 5%

188

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSToTo de maleabilização

Maleabilização: FoFo branco → FoFo maleável Ciclo de recozimento de 2 estágios:

1. Aquecimento no campo de fases γ-Fe3C (950oC). A grafita nucleia nas interfaces γ-Fe3C e cresce por difusão

de C das partículas de carboneto que se dissolvem.

Eventualmente: Estrutura metaestável γ-Fe3C

Estrutura estável γ-grafita Observações:

• O primeiro estágio de grafitização (dependente de difusão) ocorre dentro de um tempo de 3 a 20h, dependendo da composição química e do espaçamento dos núcleos de grafita. Altos teores de C e Si promovem a grafitização, mas elementos como o Cr, que estabilizam carbonetos, reduzem as taxas de grafitização.

189

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSToTo de maleabilização

Maleabilização: FoFo branco → FoFo maleável Ciclo de recozimento de 2 estágios:

2. Para maleável ferrítico → transformar toda a austenita para ferrita e grafita.

Isto acontece empregando-se taxas de resfriamento moderadas da temperatura de recozimento do primeiro estágio até aproximadamente 750oC, seguido por resfriamento muito lento de 3 a 11oC por hora.

Detalhe → Conversão da austenita para uma matriz perlítica após o primeiro estágio de grafitização é alcançada por resfriamento ao ar dos fundidos de aproximadamente 870oC.

190

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFoFo Maleável

Tratamentos térmicos: Podem ser tratados termicamente para essencialmente as

mesmas microestruturas dos FosFos nodulares.

Além disso → devido à favorável distribuição de partículas dispersas de grafita, FosFos maleáveis podem ser empregados em aplicações que requerem maior resistência à tração, ductilidade e tenacidade do que para o caso dos FosFos cinzentos.

Observação final → o tamanho das peças e o longo ToTo de maleabilização devem ser considerados, caso exista a possibilidade de se obter grafita nodular diretamente na solidificação, sem ToTo.

191

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSTribologia

Simulador multirotacional de desgaste de quadril da MTS

192

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSTRIBOLOGIA

Introdução: Movimento de uma superfície sólida sobre outra é importante

para o funcionamento de muitos tipos de mecanismos, ambos artificiais e naturais.

Este movimento → gera fricção ou atrito → Desgaste Necessidade de reposição de componentes Total perda de funcionalidade

Engenheiro → precisa eliminar ou atenuar o desgaste

Para tanto → Entender de tribologia

Do Grego τριβος (esfregar, atritar), que é a ciência e tecnologia da interação de superfícies em movimento relativo, sendo que esta incorpora o estudo da fricção, lubrificação e desgaste

Ponto importante → Para combater o desgaste, é preciso estudar fricção e lubrificação!

33

193

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSTRIBOLOGIA

Importância:

A palavra tribologia foi, primeiramente, apresentada em 1966 por um comitê do governo do Reino Unido, ainda que fricção, lubrificação e desgaste tenham sido estudados por muitos anos antes disso. O comitê também fez uma estimativa da economia que poderia ser alcançada pela indústria do Reino Unido se princípios tribológicos conhecidos fossem empregados amplamente. Estimativas similares em outros países produziram, praticamente, as mesmas conclusões, isto é, que pelo menos 1% do PIB (produto nacional bruto) pode ser economizado se fossem adotados projetos tribologicamente corretos.

Brasil → PIB → 2008 → 2,9 trilhões de Reais 1% → 29 bilhões de Reais

194

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSRugosidade Superficial

Por mais polida que seja uma superfície de engenharia, esta sempre apresentará picos e vales como esquematicamente representados na figura abaixo. A estes picos, dá-se o nome de asperezas, sendo que estas são as responsáveis pelas forças de fricção que se desenvolvem quando duas superfícies entram em contato e experimentam movimento relativo. Rugosidade é a grandeza que representa esta topografia superficial.

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAvaliação da rugosidade superficial

Avaliar a rugosidade superficial → profilômetro Usa→Stylus (“agulha” toca-disco)

Arrastado suave e constantemente pela superfície que está sendo examinada.

Sobe e desce

Deslocamento vertical é convertido por um transdutor em um sinal elétrico que é amplificado e, na forma mais simples do instrumento, move a caneta de um ploter.

Gráfico → Deslocamento vertical do stylus em função da distância percorria ao longo da superfície.

Problemas → carga no stylus pode distorcer ou prejudicar a superfície sobre exame ou não alcançar vales estreitos e profundos.

Solução → Métodos óticos → interferômetro ótico. 196

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAvaliação da rugosidade superficial

Gráfico → contém quase todas as informações necessárias para descrever a topografia da superfície ao longo de uma única direção.

Porém → não fornece uma forma simples e direta de descrever a rugosidade superficial.

Assim → A forma mais comum de referência à rugosidade de uma superfície é através da rugosidade média ou Ra.

Definida como a média aritmética do desvio de altura de uma linha média que separa o perfil da superfície com uma área total abaixo e acima da linha iguais.

197

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAvaliação da rugosidade superficial

Já a rugosidade quadrádica média, Rq, é a raiz quadrada da média dos quadrados do perfil efetivo em relação à linha média dentro do percurso de medição (desvio de altura da superfície a partir de uma linha média através do perfil). Fazendo-se uma analogia com o parâmetro Ra, pode-se dizer que é similar, porém com os valores y das ordenadas elevados ao quadrado, sendo em seguida extraída a raiz quadrada (ver equação abaixo).

∑= N yiR iNq

2

1

198

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAvaliação da rugosidade superficial

Uma outra forma de referência à rugosidade de uma superfície é a através da grandeza Rz. Esta corresponde à média aritmética dos 5 valores de rugosidade parcial (ver equação abaixo), sendo que se define por rugosidade parcial (Zi) como sendo a soma dos valores absolutos das ordenadas dos pontos de maior afastamento, acima e abaixo da linha média, existentes dentro de um comprimento de amostragem. Na representação gráfica (ver figura abaixo), este valor corresponde à altura entre os pontos máximo e mínimo do perfil, dentro do comprimento de amostragem.

5 54321 ZZZZZRz

++++ =

34

199

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

0,05-0,4Lapidação

0,1-0,4Polimento

0,1-1Brunimento

0,1-2Lixamento

0,4-6Torneamento

1-3Trefilação ou extrusão

1-6Fresamento

1-25Passo para deixar plana a superfície

Ra (µm)Processo de acabamento

Rugosidade Superficial Valores de rugosidade média Ra para superfícies de

engenharia acabadas por diferentes processos

200

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFricção

Em muitos casos, baixa fricção é desejável. A operação satisfatória de articulações, como a do quadril humano, por exemplo, demanda uma baixa força de fricção. Contudo, baixa fricção não é necessariamente benéfica em todos os casos. Em sistemas mecânicos, como os freios e embreagens, fricção é essencial. Uma alta força de fricção também é desejável entre o pneu de um veículo e a superfície do pavimento, assim como também é importante entre o calçado e o piso durante a marcha. O mundo em que vivemos seria completamente diferente se não houvesse a fricção entre os corpos ou se esta fosse menos intensa.

Introdução:

201

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFricção

Contato entre superfícies → este se estabelece inicialmente entre as “áreas altas” da superfície, também conhecidas como asperezas.

Promove a formação de “junções” de asperezas, que determinam a intensidade da força de fricção produzida.

Definida como a resistência encontrada por um corpo que experimenta movimento em relação a outro corpo.

O coeficiente de fricção (µ) mede a magnitude da força de fricção (F) desenvolvida entre duas superfícies em contato, sob um determinado carregamento (W) e em movimento relativo.

WF /=µ Primeira lei da fricção

202

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSOrigem da força de fricção

A força de fricção surge a partir de duas fontes, isto é, a partir de uma força de adesão desenvolvida nas áreas de contato real entre as superfícies (junções de asperezas), e a força de deformação necessária para causar a penetração das asperezas da superfícies mais dura na mais macia.

A força friccional resultante F é então considerada como a soma da contribuição das duas componentes, ou seja, Fadesão devido à adesão e Fdeformação devido à deformação.

203

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFricção devido à adesão

A componente de adesão surge a partir das forças de atração que existem no contato entre asperezas. A primeira vista, esta afirmação pode parecer implausível, já que se sabe por experiência que quando duas superfícies metálicas são pressionadas uma contra a outra, elas geralmente não aderem. Contudo, se as superfícies estão limpas, livres de óxidos e outros filmes superficiais e de gases adsorvidos, então uma importante adesão é observada entre metais. Estas condições podem ser alcançadas sob ultra-alto vácuo (a pressões de gases <10-8 Pa).

H s

adesão

s = resistência ao cisalhamento da junção de aspereza H = dureza do material mais macio do par

204

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFricção devido à penetração

A força friccional devido à penetração de asperezas duras na superfície do material mais macio, o termo de deformação, pode ser estimado considerando uma simples aspereza de geometria idealizada.

Se uma aspereza rígida cônica de semi-ângulo α (ver figura abaixo) deslizar sobre uma superfície plana, o coeficiente de fricção que será desenvolvido será:

αµ gdeformação cot= Exemplo:

α = 45º → µ = 1 α = 89º → µ = 0,01

35

205

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSForça de fricção total

( ) WF penetraçãoadesão ×+= µµ

206

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSLubrificação e lubrificantes

Metais “secos” e para muitos cerâmicos e polímeros → coeficiente de fricção é raramente menor do que 0,5.

Resultado → Levariam a forças de fricção intoleravelmente altas e perdas de energia friccional.

Conclusão → lubrificantes são usados para reduzir a força de fricção entre as superfícies.

Funcionamento → introdução, entre as superfícies, deslizantes, de uma camada de um material com resistência ao cisalhamento menor do que as próprias superfícies.

Detalhe → Em alguns sistemas lubrificados, o lubrificante não pode prevenir completamente o contato entre as asperezas, embora este contato bem como a resistência ao cisalhamento das junções de asperezas possa ser reduzido. Em outros casos, o lubrificante separa completamente as superfícies e não são formadas junções de asperezas. Assim, a uma maior ou menor extensão, o uso de um lubrificante sempre reduzirá a taxa de desgaste por deslizamento, o que é um benefício substancial da lubrificação.

207

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSLubrificação Hidrodinâmica

Sob condições de lubrificação hidrodinâmica, as superfícies em movimento relativo são separadas por um filme relativamente espesso de lubrificante fluido, o qual é produzido hidrodinamicamente. Para que ocorra lubrificação hidrodinâmica, as superfícies opostas devem ser conformais, isto é, estas devem ser tão geometricamente semelhantes, de forma que sejam separadas por somente um pequeno espaço, preenchido pelo lubrificante, sobre uma área relativamente grande (ver figura abaixo).

208

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Lubrificação Elastohidrodinâmica (EHL) Se o contato entre as superfícies não for conformal, isto é, envolver

nominalmente uma linha ou ponto de contato (ver figura abaixo), então a tensão na zona de contato será geralmente muito maior do que aquela encontrada para condições de lubrificação hidrodinâmica. O contato entre dentes de engrenagens, entre a esfera e a pista de um rolamento ou mesmo entre a cabeça femoral da prótese de quadril e o acetábulo, por exemplo, envolvem contatos concentrados de pequena área. A lubrificação sob estas condições é conhecida como elastohidrodinâmica, freqüentemente abreviada como EHL.

209

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Lubrificação Elastohidrodinâmica (EHL) A diferença entre EHL e a lubrificação hidrodinâmica é que, nesta

última, não ocorre a deformação elástica das superfícies, sendo que estas podem ser consideradas superfícies rígidas, ao passo que em EHL, a deformação elástica das superfícies em contato não pode ser desconsiderada. Além disso, com o aumento da tensão de contato, aumenta a viscosidade do filme. De qualquer forma, é importante salientar que, mesmo em condições de EHL, pode ocorrer a formação de um filme fluido pleno de lubrificante que evita, efetivamente, o contato entre as asperezas das superfícies opostas. A espessura mínima do filme de lubrificante (hmin.) e a rugosidade da superfície determinam as condições de lubrificação, isto é, se irá ou não existir um filme fluido pleno de lubrificante que separe as duas superfícies em contato. Portanto, é importante que se defina a razão:

* .min /σλ h=

2 2

2 1

* qq RR +=σ

Rq1 e Rq2 são os valores de rugosidade quadrática média de cada superfície. 210

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Lubrificação Elastohidrodinâmica (EHL)

λ → medida de quanto provável e severo serão as interações entre as asperezas das superfícies opostas sob um determinado regime de lubrificação.

λ > 3 → filme fluido pleno de lubrificante separa as duas superfícies, o contato entre as asperezas é desprezível e ambos fricção e desgaste devem ser baixos.

1 < λ < 3 → EHL parcial ou misto → algum contato entre as asperezas irá ocorrer, sendo que o desgaste vai será maior do que nas condições em que existe a presença de um filme fluido pleno de lubrificante.

λ < 1 → somente a presença de um lubrificante de contorno pode prevenir que a taxa de desgaste alcance valores encontrados em um sistema não lubrificado.

36

211

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSLubrificação de contorno

Sob altíssimas tensões de contato ou a velocidades de deslizamento muito baixas, as forças hidrodinâmicas são insuficientes para manter um filme fino EHL entre as superfícies em deslizamento, de forma que ocorrerá o contato direto entre as asperezas. Alta fricção e altas taxas de desgaste prevalecerão, a menos que as superfícies estejam protegidas por um lubrificante de contorno.

212

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSLubrificação de contorno

As moléculas do lubrificante são adsorvidas com o final da cadeia polarizado aderindo fortemente à camada de óxido presente no metal. As cadeias moleculares tendem a se alinhar perpendicularmente à superfície, estabilizadas pela sua mútua repulsão, formando densas camadas de 2 a 3 nm de comprimento. Quando as duas camadas em ambas as superfícies entram em contato, a maior parte do carregamento é suportado por forças repulsivas entre estes filmes, existindo somente pequenas áreas de contato desprotegido de asperezas. A força de fricção é menor do que para um deslizamento não lubrificado, e embora algum desgaste ocorra, este é substancialmente menos severo do que se as superfícies não estivessem protegidas.

213

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSLubrificação Sólida

Materiais sólidos que exibem baixos coeficientes de fricção podem ser usados como lubrificantes em preferência a filmes líquidos ou gasosos por várias razões. Um componente do contato (bearing) pode ser composto de, ou revestido com um lubrificante sólido, ou feito de um compósito que contém este, a fim de produzir um sistema auto-lubrificante que não precisa de uma fonte de lubrificação durante a sua vida útil. Sob certas condições, a lubrificação sólida pode ser o único sistema possível, como por exemplo, em máquinas de processamento de alimentos, onde a contaminação do produto por lubrificantes líquidos deve ser evitada, ou no espaço onde o líquido lubrificante evaporaria. A altas temperaturas, os lubrificantes líquidos se decompõem ou oxidam, de forma que lubrificantes sólidos adequados podem estender a temperatura de trabalho para acima de 1.000oC, mantendo ao mesmo tempo um baixo coeficiente de fricção.

214

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSLubrificação Sólida

Grafite:

215

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSLubrificação Sólida

O grafite, dissulfeto de molibdênio (MoS2) e o politetrafluoroetileno (PTFE- Teflon), sob condições adequadas, exibem baixos coeficientes de fricção, sendo usados amplamente como lubrificantes sólidos. Estes podem ser usados como revestimentos finos, incorporados em materiais compósitos ou, no caso do grafite e do PTFE, usados como material base (bulk material). Grafite e MoS2 podem também ser aplicados como lubrificantes de reabastecimento na forma de pó seco. Estes são também usualmente incorporados a óleos lubrificantes e graxas como partículas finas de suspensão.

Todos os três materiais, contudo, apresentam limitações. O uso em alta temperatura é, em cada caso, limitado pela decomposição ou oxidação ao ar: o grafite a ~500oC, MoS2 a ~300oC e o PTFE a ~250oC. Além disso, as propriedades de lubrificação do grafite dependem da presença de vapores condensáveis, enquanto alta umidade atmosférica afeta adversamente a fricção e a taxa de desgaste do MoS2.

216

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSDesgaste

Quando uma superfície experimentar movimento relativo contra outra superfície, o desgaste irá ocorrer, sendo que este pode ser definido como o prejuízo a uma ou ambas superfícies, geralmente envolvendo perda progressiva de material. Basicamente, existem dois tipos de desgaste, isto é, o desgaste por deslizamento e o desgaste causado por partículas duras.

37

217

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSDesgaste por deslizamento

Talvez uma das formas mais importantes de desgaste por deslizamento é aquele que envolve a adesão, denominado desgaste adesivo. O deslizamento entre duas superfícies, sob um determinado carregamento, leva a uma contínua formação e destruição de junções de asperezas, tendo como conseqüência a remoção de material da superfície do material mais fraco.

218

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSDesgaste por partículas duras

O desgaste por partículas duras pode envolver os tipos de desgaste abrasivo e erosivo. No desgaste abrasivo, faz-se uma distinção entre o desgaste abrasivo por dois corpos e por três corpos. A abrasão por dois corpos é causada por duras protuberâncias na superfície oposta de contato ou simplesmente pela diferença de dureza e ou rugosidade das duas superfícies em contato. Já para a abrasão por três corpos, partículas duras se posicionam e rolam entre as superfícies. Estas partículas duras podem estar presentes na forma de contaminantes (partículas exógenas) ou podem ser geradas localmente por algum dos mecanismos envolvidos no desgaste por deslizamento puro (partículas endógenas).

219

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSDesgaste por partículas duras

O processo conhecido como erosão ocorre quando partículas sólidas atingem uma superfície. Em erosão, várias forças de diferentes origens podem agir sobre uma partícula em contato com uma superfície. Entre outras, a força dominante é aquela associada à desaceleração da partícula a partir da sua velocidade inicial de impacto. Assim como para o caso da abrasão, o desgaste erosivo pode envolver tanto a deformação plástica como a fratura frágil. A erosão dos metais, geralmente, envolve deformação plástica, enquanto que para materiais frágeis, a erosão pode envolver os mecanismos de deformação plástica e fratura frágil, dependendo das condições de impacto. O tipo de desgaste erosivo que envolve, fundamentalmente, a deformação plástica, como é o caso para a maioria dos metais, é fortemente dependente do ângulo de impacto.

220

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSEfeito da lubrificação no desgaste

Desgaste adesivo → tende a atenuar o desgaste através da redução da resistência ao cisalhamento das junções de asperezas, bem como pela diminuição da incidência e severidade do contato entre as asperezas. Desgaste abrasivo → Partículas abrasivas, contudo, serão

freqüentemente maiores do que a espessura do filme de lubrificante (mesmo para um fluído pleno), de forma que este não pode prevenir o contato entre a partícula e a superfície oposta. Assim, em desgaste abrasivo, a lubrificação não resultará em uma considerável redução do desgaste como observado para o caso da ausência de partículas duras, sendo que freqüentemente resulta em um aumento do desgaste. Por exemplo, a taxa de desgaste abrasivo para metais sob condições de dois corpos pode aumentar quando a lubrificação por óleo é introduzida. Este efeito ocorre porque o lubrificante diminui a fricção entre uma partícula abrasiva e a superfície metálica, de forma que a eficiência de corte ou remoção de material da superfície é maior (não ocorrerá o “empastamento” da partícula abrasiva na superfície), acentuando o desgaste. Além disso, a lubrificação inibe a adesão das partículas de desgaste às partículas abrasivas, diminuindo a degradação da abrasividade sob condições de multipasses.

221

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSDesgaste e projeto

O desgaste, como um fator no desempenho de um sistema de engenharia, é freqüentemente negligenciado no projeto. O desgaste leva, em muitos casos, a prejuízos financeiros decorrentes de substituições prematuras de componentes e queda de produtividade. Portanto, o desgaste deve ser sempre considerado nos primeiros estágios de projeto e não ser deixado de lado até que se torne um problema.

Quando existe um movimento relativo entre superfícies, o desgaste não pode ser completamente eliminado, ainda que, em alguns casos, possa ser reduzido a níveis insignificantes.

Importante → desgaste em um sistema particular é determinada pela interação de muitos fatores.

Estrutura do sistema mecânico e as variáveis de operação impostas nesta estrutura.

Materiais que fazem parte do par tribológico, a natureza de algum material interfacial presente (lubrificação ou partículas abrasivas), o ambiente externo (gás ou líquido) e pelas relações geométricas entre estes componentes (superfícies conformais e não conformais). Variáveis de operação → condições impostas no sistema durante o uso, tais como velocidade de operação, carregamento e temperatura 222

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSDesgaste e projeto

Variáveis de operação → pequena margem de alteração visto que estas são usualmente determinadas pela proposta global do sistema.

Estrutura do sistema → lubrificação é um método poderoso na redução do desgaste em muitos sistemas de deslizamento.

Sem dúvida → Lubrificação hidrodinâmica é o estado mais desejável para estes sistemas e, se executável, o projetista deve tentar assegurar que o sistema permaneça neste regime para todas as condições de operação.

Regime de lubrificação Fator mais importante → é a espessura mínima do filme de lubrificante, quando comparada à rugosidade da superfície.

λ → pode ser aumentado pela redução da rugosidade das superfícies ou pelo aumento da espessura do filme de lubrificante.

Função direta do processo de acabamento final usado na manufatura do componente ou dispositivo.

A espessura do filme de lubrificante pode ser aumentada pelo aumento da área de contato ou pelo aumento da viscosidade do lubrificante.

38

223

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSDesgaste e projeto

Outra variável de estrutura→ escolha de materiais! Desempenho relativo

Varia → de acordo com a aplicação tribológica a que se destina o componente/dispositivo.

Depende fortemente do mecanismo de desgaste dominante no sistema!

Em geral → ↑ taxas de desgaste → metais que deslizam contra metais do que para não-metais que deslizam contra ambos metais ou não-metais.

A maioria dos metais deslizando contra os mesmos metais (par similar) produzem altas taxas de desgaste.

Contudo → se os metais forem dissimilares, a taxa de desgaste é menor e depende do grau de compatibilidade tribológica dos dois metais.

Indica a relutância das superfícies opostas em formar uma forte ligação interfacial, a qual levaria a uma alta taxa de desgaste.

Não se correlaciona muito bem com outras propriedades, ainda que, até um certo ponto, a solubilidade mútua em solução sólida é sugerida como um guia.Em geral, pares em deslizamento com alta solubilidade mútua apresentam baixa compatibilidade tribológica e altas taxas de desgaste. 224

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSDesgaste e projeto

Quase sempre → Alta dureza é benéfica

Pode diminuir a fricção total e, portanto, a taxa de desgaste adesivo.

Desgaste abrasivo → taxa de desgaste cai rapidamente se a dureza da superfície for maior que a dureza das próprias partículas abrasivas.

Materiais cerâmicos→ devido aos altos valores de dureza alcançados e a inércia química (compatibilidade tribológica), taxas de desgaste em deslizamento menores do que aquelas observadas para os metais podem ser alcançadas.

Preocupação → as propriedades mecânicas (especialmente tenacidade à fratura) podem não ser adequadas para as solicitações em serviço.

Solução → utilização destes materiais na forma de revestimentos em substratos metálicos (engenharia de superfícies).

225

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSPrótese total de quadril

226

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Tratamentos de endurecimento superficial

Têmpera por indução de uma ponta de eixo

227

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

• Têmpera superficial – sem mudança da composição química • Têmpera por chama Têmpera por indução • Tratamentos termoquímicos – com mudança da composição química • Cementação Nitretação

Mas porque endurecer somente a superfície do aço?

- Resistência ao desgaste - Resistência à fadiga - Tensões residuais compressivas na superfície - Núcleo mais macio e tenaz - Menor o risco de trinca e nível de empenamento

Formas de atacar o problema:

228

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSTêmpera superficial endurecimento seletivo

Vantagens da têmpera superficial em relação à tempera total: - Difícil de aplicar têmpera total em peças de grandes seções - Endurecer somente áreas críticas de certas peças (dentes de engrenagem) - Precisão dimensional em peças planas ou delgadas - Possibilidade de utilizar aços mais baratos (baixa temperabilidade) - Diminuição do risco de trincas, ainda que empenamento possa ocorrer

Procedimento: - Rápida austenitização da superfície (poucos segundos) - Rápido resfriamento para não austenitizar o núcleo - Meio de resfriamento = água. Bom, barato e seguro

Vantagens adicionais: - Eliminação de fornos de aquecimento - Maior velocidade de tratamento - Não se produz apreciável oxidação e descarbonetação do aço

Necessidade: - Como não ocorre alteração da composição química, é fundamental que o

aço tenha temperabilidade adequada.

39

229

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSTêmpera por chama

Aquecimento = chama de uma mistura de acetileno com oxigênio

Chama de alta T

Rápido aquecimento

Jato de água

Resfriamento

Existem muitas configurações com diferentes dispositivos e queimadores. Neste, o cilindro gira e é temperado por indução ao longo de todo o seu comprimento.

Configuração progressivo-rotativo

230

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSTêmpera por chama

- Espessura de camada → desde apenas uma casca superficial até 10mm - Gases combustíveis → acetileno, metano e propano misturados ao O2 - Ainda assim, o revenido é indispensável. Inclusive, pode ser realizado por chama. - Peças de grandes seções, endurecidas até cerca de 6,4mm ou mais, o próprio calor da peça pode revenir a peça.

Outras configurações

231

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSTêmpera por indução

Aquecimento de materiais condutores de eletricidade Usos:

- Fusão - Soldagem - Brazagem - Aquecimento para conformação mecânica - Tratamentos térmicos Vantagens:

- Custos reduzidos - Maiores taxas de aquecimento do que têmpera por chama - Mínima distorção e formação de carepa - Facilmente automatizável

232

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSPrincípio de aquecimento indutivo

Componentes básicos: Bobina de indução, fonte de corrente alternada e a peça

- Fluxo de corrente (AC) pela bobina - Formação de um campo magnético - Objeto condutor dentro da bobina - Campo magnético induz correntes parasitas ou de Eddy. - Correntes formadas na superfície - Corrente alternada gera um campo magnético variável que faz com que ocorra uma fluxo de elétrons - Efeito Joule dissipa calor - Austenitização - Rápido resfriamento com água

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Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSPrincípio de aquecimento indutivo

O mecanismo primário de geração de calor ocorre a partir do fluxo das correntes de Eddy na peça. Um segundo mecanismo de geração de calor ocorre em materiais ferromagnéticos, quando energia é dissipada durante a reversão dos domínios magnéticos (este mecanismo só ocorre até a temperatura Curie do aço). Este efeito em materiais ferromagnéticos, contudo, é usualmente ignorado nos cálculos de aquecimento indutivo. Assim, a taxa de aquecimento, em unidade de energia (watts), é largamente uma função de I2R (efeito joule).

onde: P = potência, V = voltagem, I = corrente e R = resistência

IVP ×= IRV ×=

RIIIRP ×=××= 2

234

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSTêmpera por indução

Camadas: Rasas → alta frequência e ↓ t (0,25mm) (100KHZ – 1MHz) Profundas → baixa frequência e ↑ t (12mm) (3 a 25KHz)

Controle da camada: - Forma da bobina - Espaço bobina/peça - Densidade de potência (kw/cm2) - Frequência - Tempo de aquecimento

Revenido após o tratamento, ainda que algumas vezes pode ser dispensado!

40

235

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSCaracterísticas

Têmpera por indução → não muda a composição química do aço Aço precisa ter suficiente C e elementos de liga para se

alcançar a distribuição de dureza desejada. Introduz σ residuais compressivas → resistência à fadiga >

do que para a têmpera total (σresid. trativas). ↑profundidade de endurecimento → + próximo

é o estado de σresid. da têmpera total!

Tempos de aquecimento muito curtos → ↓ t para a formação de γ

CompensaçãoAumento da T de austenitização

Figura abaixo → A3 afetada pela taxa de aquecimento e micro

Conseqüência → superdureza → ↑ dureza do que para têmpera convencional → resultado da martensita formada em um grão austenítico imperfeito e muito fino, resultado da rápida austenitização em um endurecimento por indução. 236

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSA3 x taxa de aquecimento

237

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Endurecimento superficial por laser Materiais metálicos → bons condutores de calor

↓ Necessidade de fluxos de calor muito intensos

↓ Para austenitizar a superfície sem afetar o núcleo

↓ Alternativa de aquecimento → feixe de laser Resfriamento → “autotêmpera”

238

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Fundamentos do endurecimento superficial por laser

Feixe de laser atinge a superfície → parte da energia é convertida em calor. Se a densidade de potência (W/cm2) for bem alta, calor será acumulado na superfície a uma taxa maior do que a condução de calor para o interior, aumentando a temperatura superficial até a austenitização de uma fina casca superficial.

239

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Movendo-se o feixe de laser sobre a superfície ↓

Ponto na superfície é rapidamente austenitizado ↓

Esta área é rapidamente resfriada pela condução de calor

Profundidade: - Densidade de potência - Velocidade do feixe

Densidade de potência menor ↓

Soldagem ou corte 240

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Profundidade da camada endurecida

Depende da temperabilidade do material (<2,5mm) ↓

Devido a altas taxas de aquecimento e resfriamento ↓

Possível endurecer aços normalmente não endurecíveis SAE 1018

41

241

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Detalhe:

Materiais ferrosos não absorvem muito bem a radiação eletromagnética na ou abaixo da faixa do infravermelho. Por exemplo, o ferro puro polido tem uma absorvidade de 4%

na temperatura ambiente.

Uso eficiente da energia de laser demanda a introdução de um revestimento absorvedor na superfície do material. Revestimentos químicos, como o fosfato de manganês e tintas de grafite, silício e carbono têm sido usados eficientemente.

A absorvidade destes revestimentos no começo do ciclo de aquecimento é alta (90% ou mais). Os revestimentos são aplicados na forma de um tinta spray.

242

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Vantagens e desvantagens:

- Ingresso muito localizado de energia, diminuindo a distorção - Endurecimento de áreas na peça de difícil acesso - Endurecimento de peças grandes e complexas

- Camada limite de 2,5mm - Alto custo de investimentos em equipamentos

243

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Lasers para uso na indústria metal-mecânica

Nd:YAG estado sólido e do tipo gás CO2

Estes lasers são muito versáteis, podendo ser usados para um número de processos de fabricação, como soldagem, corte etc...

Os lasers emitem radiação eletromagnética na faixa do infravermelho do espectro, sendo o feixe de laser destas máquinas invisível.

244

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSTratamentos termoquímicos

Os tratamentos termoquímicos envolvem o endurecimento superficial, através da modificação da composição química da superfície. Usa-se o termo termoquímico, porque calor é necessário para promover a difusão das "espécies" (elementos químicos) para dentro do substrato. Os métodos de endurecimento por difusão incluem o uso de vários elementos químicos, tais como o carbono, nitrogênio ou boro. Vários processos podem ser utilizados para o transporte das espécies para a superfície do substrato, de forma que estas podem estar originalmente na forma de gás, líquido, sólido ou mesmo íons.

245

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Cementação

Definição → introdução de carbono na superfície do aço

TêmperaSuperfície dura e resistente ao desgaste

com um núcleo de menor resistência e grande tenacidade

A dureza depende da quantidade de carbono

O que se precisa para que ocorra a cementação?

246

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Fontes do agente de endurecimento (Processos de cementação)

● Atmosfera gasosa → cementação a gás

● Banho de sais → cementação líquida

● Composto sólido → cementação sólida ou em caixa

42

247

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSCementação sólida ou em caixa

Fonte de carbono → composto sólido a base de carbono Composto sólido → aglomerado de carvão vegetal ou coque com ativador (BaCO3).

Reações: C + O2 → CO2 (1) CO2 + C → 2CO (2) 2CO → CO2 + C (3) na superfície do aço. CO2 + C → 2CO Ativador → fonte de O2 (o oxigênio da caixa não é suficiente). BaCO3 → BaO + CO2 e então segue para (2)

248

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSCementação líquida

Fonte de carbono banho de sais (cianetos) fundidos

Restrições de ordem ambiental Sais: Cianeto de sódio

Cianeto de potássio 2NaCN → Na2CN2 +C

Cementação a gás e em caixa → introdução de C

Cementação líquida → introdução de C e uma certa quantidade de N

Modernamente: sais sem cianeto → ecologicamente sem N

249

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSCementação a gás

Processo mais usado na produção em larga escala, porque pode ser controlado com mais precisão, envolvendo mínimo manuseio.

Atmosfera → formada por gases de transporte como o N, CO e H2. Adicionado o hidrocarboneto gasoso

ou líquido vaporizado. FornoQuebramCO, CH4, CO2 e H2O

Fontes de C

N2 e H2 → diluem a atmosfera

Balanço químico → CO-CO2 H2-H2O

Controlam o potencial de C na mistura.

250

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSMecanismo de cementação

C atômico → absorvido pela superfície de um metal ↓%C

Derivado → substância gasosa ou líquida em contato com o metal

Reações químicas que não envolvem diretamente o metal, mas podem ser catalisadas pela presença deste.

Cria um gradiente de concentração

ResultadoÁtomos de carbono se movem por difusão para longe da superfície, em direção ao núcleo da parte/peça.

Camada superficial (cementada) → alcança uma certa %C Função do potencial de C e T de cementação

Não excedendo o limite de solubilidade de C no metal na T!

Alguns dados: 0,9% a 790oC, 1,05% a 845oC, 1,2% a 900oC e 1,4% a 955oC.

251

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSMecanismo de cementação

Obs.: Contudo, se o balanço químico na atmosfera produzir um potencial de carbono de, por exemplo, 0,8%, este teor não será excedido, independentemente da temperatura de cementação.

Geralmente → potencial de C é controlado Para alcançar uma certa % de C na superfície

do aço. Resultado → pode-se usar ↑Ts de cementação

↓ts de processo ↑ taxas de absorção e difusão Acima de 950oC, contudo, os equipamentos

do forno se deterioram rapidamente. Crescimento de grão

252

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAbsorção e difusão de carbono

Absorção de C → envolve uma série de reações químicas ResultadoTransferência de átomos de C da

atmosfera para o metal (mesmo para todos os processos).

Absorção de carbono durante a cementação a gás: Cementação a gás → misturas de agentes que promovem a

cementação e a descarbonetação.

FrequentementeCO, H2, CO2, H2O, CH4 e N2

Reações principais: Fe + 2CO ↔ Fe(C) + CO2 (1) Fe + CH4 ↔ Fe(C) + 2H2 (2) Fe + CO + H2 ↔ Fe(C) + H2O (3)

C e solução sólida na γ

43

253

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Absorção de carbono durante a cementação a gás:

Reações 1 e 3 → produzem CO2 e H2O, respectivamente.

Agentes de descarbonetação potentes.

Quantidades máximas toleradas, sem que ocorra descarbonetação, podem ser calculadas.

Figura → % de equilíbrio de CO e CO2 para concentrações superficiais de saturação e metade deste valor.

Função da T de cementação Figura → diluição gasosa onde

CO+CO2=20% do volume total de gases. Perceber: ↓%CO2 → ↑%CO Mesmo para H2 e vapor d’água! 254

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAbsorção de carbono durante a cementação a gás:

Contrabalançar o efeito descarbonetante do CO2 e vapor d’água

Adição de um hidrocarboneto gasoso, como o CH4 Reage com os gases acima

CH4 + CO2 ↔ 2CO + 2H2 (4) CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 (5)

Participa na cementação Assim: CH4 → fonte de C para a cementação

CO → agente de transferência do carbono para a superfície do metal!

As razões de CO e CO2 e de H2 e vapor d’água controlam o potencial de cementação. Estas razões também são afetadas pela reação água-gás: CO + H2O ↔ CO2 + H2 (6) Cementação a gás → o balanço químico entre as reações 1 a 6 é quem determina o potencial de C da atmosfera. Este define a %C na superfície da parte, a menos que esta %C seja maior do que o limite de solubilidade de C na γ na T de cementação.

255

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSDifusão de carbono no aço

C da superfície para o núcleo → ocorre por difusão de acordo com a 1ª lei de Fick:

x CDJ

∂ ∂

−=

J = fluxo ou quantidade da substância que difunde através de uma unidade de área de seção transversal por unidade de tempo. D = coeficiente de difusão ∂C/∂x = gradiente de concentração da substância que difunde.

Transporte de C → depende de D e das características do ∂C/∂x! Função da T e concentração de C

Procede da maior concentração na superfície da peça para a menor concentração no núcleo.

Profundidade de camada → pode ser prevista, para qualquer temperatura constante de operação, por uma simples função do tempo:

td φ= d = profundidade da camada cementada t = tempo de cementação φ = fator de proporcionalidade que varia com a T 256

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSDifusão de carbono no aço

Fator de proporcionalidade:

Detalhe: um aumento de 100oC na T de cementação pode quase dobrar o valor de φ, tendo como resultado uma d 2x maior para um dado tempo de cementação!

257

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSDifusão de carbono no aço

O efeito da T na difusão do C já foi apresentado?

Também é função do gradiente de C (∂C/∂x) Influenciado somente pela faixa de concentração

da superfície ao núcleo.

A uma dada T → a taxa de difusão aumenta com o aumento da concentração de carbono.

Prática → %C superficial = 0,6-1,1 %C núcleo = 0,12-0,25

Com estes valores

Gradiente pode ser aproximado por uma linha reta

Aproximação = gradiente padrão

Diferença entre as concentrações de carbono entre a superfície e o núcleo (chamado de espalhamento de carbono), dividindo-se em seguida pela profundidade total da camada.

258

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Difusão de carbono no aço

● Gradiente real ● Gradiente aproximado ● A área triangular formada (gradiente aproximado de carbono) é equivalente àquela produzida pela linha curva assintótica (gradiente de carbono real). ● A intersecção do gradiente aproximado com a %C do núcleo (linha horizontal) ocorre na profundidade total da camada cementada.

Determinada desta forma → representa

Um ponto que tem um teor de C que é aproximadamente 0,07% maior do que a concentração do núcleo.

44

259

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAplicação da teoria da cementação

Na prática: Especificações → requerem uma dureza superficial mínima e uma profundidade de camada que cai dentro de uma faixa especificada.

Geralmente → deseja-se a mais alta dureza superficial

Controlada inteiramente pela concentração superficial de carbono.

Dados de equilíbrio são usados para prever a composição da atmosfera cementante que produzirá um dado teor superficial de carbono.

Esta previsão é afetada pelo conteúdo de liga do aço.

Potencial de carbono “efetivo” da atmosfera

↑ na presença de elementos como o Cr, Mn e Mo que formam carbonetos mais estáveis do que o Fe.

↓ com a adição de elementos como o Si, Ni, que praticamente não formam carbonetos. 260

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAplicação da teoria da cementação

O efeito total da composição química do aço sobre o potencial de carbono é pequeno para aços com baixo teor em liga. Contudo, este efeito pode ser significativo quando o conteúdo de liga é alto ou quando existe um balanço pobre entre os elementos formadores de carbonetos e os elementos que não formam carbonetos.

261

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSPrática de cementação

Após alcançar a T de cementação → início do processo Dividido em 2 partes

Cementação propriamente dito e um período de difusão.

Um gás rico, em excesso ao potencial de carbono desejado, é adicionado à atmosfera do forno.

Seguindo o período de cementação com alto potencial de carbono, o processo opera com o potencial de carbono em equilíbrio, para o período de difusão.

Importante → estabelecer a correta razão entre os tempos de cementação e difusão a fim de se obter um gradiente de carbono que produzirá a seqüência de transformação desejada durante a têmpera.

Proceder da fronteira camada-núcleo para fora em direção da superfície. Resultado → σresid. compressivas que prevenirão a formação de trincas

e otimizarão as propriedade de fadiga. 262

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSPrática de cementação

Vantagens no emprego de uma etapa de difusão:

● ↓ ts de cementação de 20 a 60% (depende do aço e da profundidade de camada desejada. ● Produção de camadas efetivas de alta dureza mais profundas

Útil nas situações em que alta dureza superficial precisa ser retida após a usinagem.

● Camada precisa ser relativamente profunda e, mesmo assim, livres de carbonetos e austenita retida.

↑ tendência de formação com o aumento do teor de C do aço além da composição eutetóide, principalmente em aços ligados

263

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAplicação de dados de equilíbrio

Cementação a gás → envolve a interação dos gases CO, CO2, CH4, H2 e H2O.

% necessárias destes vários gases para manter o equilíbrio com uma dada concentração superficial de C no aço a qualquer temperatura podem ser calculadas a partir de dados termodinâmicos.

264

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAplicação de dados de equilíbrio

Fe + 2CO → Fe(c) + CO2

Com os dados ao lado, pode-se deter- minar as % de CO e CO2 para se alcançar uma dada concentração de C na superfície de um aço ao carbono em função da T de cementação.

Exemplo: Ponto A 900oC 1%C no aço CO = 19,83% CO2 = 0,17%

45

265

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAplicação de dados de equilíbrio

Exemplo de cálculo:

Fe + 2CO ↔ Fe(C) + CO2 C dissolvido na γ

Constante de equilíbrio → 06,98870log +−= T

K

T absoluta em Kelvin

Constante de equilíbrio Para a reação hipotética: aA + bB = cC + dD a unidades de volume do gás A reage com b unidades de volume do gás B para produzir c unidades de volume do gás C e d unidades

de volume do gás D.

Neste caso K = PAaPBb/PCcPDd

Pressão parcial de cada gás = pressão do sistema multiplicada pela fração volumétrica do gás.

266

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAplicação de dados de equilíbrio

Fe + 2CO ↔ Fe(C) + CO2 Envolve a consideração do diagrama Fe-C

Sistema gasoso → P (pressão parcial) da γ saturada é igual a 1!

Proporcional ao grau de saturação, quando a concentração de carbono for menor do que o nível de saturação.

Exemplo de cálculo: Determinação das % de CO e CO2 que manterão 1% C na superfície

do aço a 900oC.

Menor do que o nível de saturação

= 1,33%C

Um fator de atividade A (ou porcentagem de saturação) precisa ser empregado para o cálculo das concentrações dos gases em equilíbrio, quando o nível de carbono está abaixo da saturação.

A = 1,00 / 1,33 = 0,752

267

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAplicação de dados de equilíbrio

Assume-se que a pressão total é 1 atm e a pressão parcial do sistema CO-CO2 é 0,2 atm, isto é:

2,0 100

%% 2 =+ COCO

Considere que a fração volumétrica de CO no sistema CO-CO2 seja igual a X e a fração volumétrica de CO2 igual a 1-X.

06,98870log +−= T

K K = 31,49 a 900oC (1173K)

K = PAaPBb/PCcPDd

)( )(149,31 2

2

PCO PCO

A K

⎠ ⎞

⎜ ⎝ ⎛==

Fe + 2CO ↔ Fe(C) + CO2

)1(2,0 )2,0(149,31

2

X X

A K

− ⎟ ⎠ ⎞

⎜ ⎝ ⎛==

⎟⎟ ⎠

⎞ ⎜⎜ ⎝

⎛ −

== X

XK 1752,0

2,049,31 2

Resultando em X = 0,9917 e 1-X = 0,0083

%CO = 0,9917 (0,2) 100 = 19,83%

%CO2 = 0,0083 (0,2) 100 = 0,17%

Ponto A na figura do slide 264! 268

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Avaliando e controlando as atmosfera de cementação

Potencial de carbono pode ser determinado com base na composição do gás, através da avaliação do:

● Teor de CO2 → medido por um analisador de infravermelho ● Teor de H2O → método do ponto de orvalho

Definido como a temperatura, a uma dada pressão, que uma mistura gasosa precipitará o seu conteúdo de umidade. ● Teor de O2 → sensores de O2

Uma vez que a composição da atmosfera de cementação é conhecida, o potencial de carbono pode ser previsto por um gráfico como aqueles apresentados no slide 264 ou por cálculos.

269

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Assuma que a análise do gás efluente de um forno de cementação, operando a 900oC, indique 0,2%CO2 e 22%CO. Deseja-se predizer a concentração superficial de carbono do aço sendo cementado. A Figura no slide 264 indica que a concentração superficial de carbono será de 1,0% (veja o ponto B no gráfico do centro à esquerda).

Avaliando e controlando as atmosfera de cementação

270

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Avaliando e controlando as atmosfera de cementação Problema: Assuma que o ponto de orvalho e a composição do gás efluente de um forno

de cementação a gás operando a 950oC sejam: Ponto de orvalho: -10oC; Composição: H2=40%, CO=20%. Deseja-se predizer a concentração superficial de carbono da peça cementada.

Uma relação bem definida existe entre a razão H2O/H2 e a razão CO2/CO das atmosferas de fornos, de acordo com a seguinte reação:

CO + H2O ↔ CO2 + H2

627,11764log +−= T

K ( ) ))(( )(

22

2

HCO OHCOK =

K = PAaPBb/PCcPDd

⎟ ⎠ ⎞

⎜ ⎝ ⎛=

CO COK

H OH 2 2

2

)( )(

ouK = 1,53

46

271

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Avaliando e controlando as atmosfera de cementação

Ponto de orvalho de -10oC é equivalente a 0,28% de H2O por volume. Assim:

007,0 40 28,0

2

2 == H

OH

00458,0 53,1 007,01

2

22 ==⎟ ⎠ ⎞

⎜ ⎝ ⎛=

KH OH

CO CO

⎟ ⎠ ⎞

⎜ ⎝ ⎛=

CO COK

H OH 2 2

2

)( )(

CO2 = (20)(0,00458) = 0,092%

Slide pág. 264 → 950oC → 0,092% CO2 e 20% CO → deve estar em equilíbrio com um aço de 1%C, sendo esta assim a concentração superficial de carbono do aço cementado. 272

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSCementação: Propriedades e estrutura

Lembrando: Qual é o objetivo da cementação?

Camada superficial → martensita de ↑C com boa resistência ao desgaste e à fadiga.

Núcleo → ↓C e tenaz

Aços para cementação → usualmente 0,2%C Se for aço comum

Baixa temperabilidadeFerrita + Perlita↓Resistência

Muitas aplicações → requerem ↑resistência do núcleo para suportar a camada superficial dura para aplicações severas.

273

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAços para cementação

Ideal → aços ligados com boa temperabilidade de núcleo que formam martensita através de toda a peça (aplicações críticas) e formam martensita na camada cementada quando a têmpera é feita em óleo (aplicações menos críticas).

Aços usuais → SAE 8620, SAE 4320, 20NiMoCr6, SAE 4817, SAE 4820, 16MnCr5 e 20MnCr5.

274

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSEtapa final: Têmpera e revenido

Quando → %C superficial e profundidade alcançadas (própria seleção dos parâmetros de cementação).

Têmpera e revenido

Detalhe → Têmpera → diretamente após a cementação Ou resfriada e reaquecida para refinar a microestrutura e

produzir uma menor quantidade de γ retida.

Salmoura, água + polímero líquido, óleos ou sais fundidos

Pode ser dispensado nos casos de peças ou camadas cementadas de pequena profundidade (0,5 mm ou menos), desde que não sofram um tratamento de acabamento superficial posteriormente.

275

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSMicroestrutura

Microestrutura de um aço SAE 8620 cementado e com etapa de difusão a 1050oC, resfriado até 845oC e temperado em óleo. A martensita está na forma de placas (alto C - ~1%), com 20-30% de γ retida. Se existisse menos C na superfície, a martensita seria mais fina tendendo para ripa, com reduzida %γ retida. 276

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSPerfis de carbono e de dureza típicos de um

material cementado (e temperado)

Obs.: ↑↑%C na superfície → ↑ γ retida ↓ dureza na superfície!

47

277

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Variável especificada em projeto → profundidade de camada cementada

Distância da superfície, mm 0,4 0,8 1,2 1,60

450

550

650

750

850

D ur

ez a,

H V

Depende do critério adotado

Quem determina a profundidade da camada cementada?

Camada cementada efetiva → 50 HRc (513 HV) ou 0,4%C

278

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Efeito do gelo fino:

Profundidade de camada cementada

279

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSMecânica do contato

O contato ao lado envolve um cilindro elástico de raio R carregado contra um plano elástico por uma carga normal P.

De acordo com a teoria de Hertz, os dois corpos se deformam, resultando em um contato de largura 2a com uma distribuição elíptica de pressão.

280

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Um exemplo da distribuição de tensões subsuperficiais de acordo com a teoria de Hertz é mostrado ao lado. Claramente, a máxima tensão cisalhante não ocorre na superfície, mas abaixo desta, indicando que a falha é iniciada abaixo da superfície, onde a máxima tensão cisalhante ocorre.

281

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSEquações:

2a = largura do contato

p = tensão normal de contato

Máxima tensão cisalhante

Profundidade de máxima tensão cisalhante

l EE

Ra ⎟⎟ ⎠

⎞ ⎜ ⎜ ⎝

⎛ − +

− =

2

2 2

1

2 1 114 νν

π

2

2 2

1

2 1

2

11 1

EE R lp

ννπ − +

− ×=

contatodelinha acl

⋅⋅ =

arg

pMáx 300,0=τ

az 786,0= 282

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSNa presença de fricção:

Na presença de fricção, onde se precisa considerar não somente a tensão normal mas também a tensão tangencial, o ponto de máxima tensão cisalhante (onde o escoamento iniciará) se localiza muito mais próximo à superfície, de forma que a deformação plástica pode ocorrer mais prontamente do que no caso anterior.

48

283

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Critério de escoamento

O escoamento plástico iniciará, para esta geometria de contato, na profundidade de 0,786a, quando a tensão normal de contato for 1,5 x tensão de escoamento uniaxial em tração (σY ) ou quando a tensão cisalhante máxima (k) for igual a 0,5 σY. À medida que a carga aumenta, a zona plástica aumentará em tamanho, atingindo a superfície. Isto ocorre quando a tensão normal de contato for igual a 3σY. Este é o valor de dureza por indentação do material (H). 284

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSDesgaste

Existem várias formas de desgaste, sendo que a deformação plástica é fundamental para o funcionamento dos diferentes mecanismos de desgaste. Há autores que afirmam que qualquer mecanismo de desgaste ocorre através de um processo de fadiga. É notório que para que ocorra fadiga, deve existir necessariamente deformação plástica. Portanto, sem deformação plástica não há desgaste. Assim, todo e qualquer processo que busque um aumento da resistência ao desgaste deve garantir um aumento da resistência ao escoamento. É claro que nos mecanismo de desgaste adesivo e desgaste/corrosão, a reatividade química superficial também deve ser considerada. Os processos de engenharia de superfície como a cementação e a nitretação branda aumentam a resistência ao desgaste simplesmente pelo aumento da resistência ao escoamento (dureza). Já os processos de nitretação convencional, carbonitretação e filmes finos garantem um aumento da resistência ao desgaste pelo aumento da dureza e pela produção de camadas com boa inércia química.

285

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSTensões residuais

Além da microestrutura → tensões residuais também afetam favoravelmente a resistência à fadiga.

Tensões residuais compressivas na camada cementada

Como são formadas estas tensões?

Gradiente de C → Gradiente de MS Superfície → MS é mínima Mais para o interior → MS aumenta

Têmpera → T da peça < MS em um ponto abaixo da superfície

Martensita se forma neste ponto Seqüência da têmpera → forma martensita na superfície

Expansão restringida pela subsuperfície já transformada Resultado → tensões residuais compressivas na superfície

286

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSTensões residuais

Aço: 0,26C; 1,08Mn; 0,93Cr; 0,15Ni; 0,3Mo; 0,06Ti; 0,024S; 0,013P ToTo: Cementação gás → 930-940oC Têmpera → 840-850oC Revenido → 1h a 180-200oC

287

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSComplicações

Problemas de processamento → afetam negativamente as propriedades mecânicas.

Caso usual em cementação a gás → oxidação interna

Pode alcançar até 25µm de profundidade

Oxidação intergranular ao longo dos contornos de grão da γ em um aço cementado.

Reduz a resistência à fadiga, principalmente se por oxidação dos elementos de liga não forma martensita.

↓σ residuais compressivas 288

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSOxidação interna

Aplicações críticas → camada com oxidação interna é removida por retificação ou usinagem.

Solução → cementação a vácuo

49

289

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSComplicações: ↑↑%C na superfície

Alta quantidade de γ retida

Carbonetos em contorno de grão

Como aconteceu? • Etapa de difusão muito curta • Efeito da geometria (cantos)

290

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSComplicações: microtrincas

Microtrincas → microestruturas martensíticas de alto C Causa → choque das placas de martensita

Microtrincas na camada cementada de um aço SAE 8620 de granulação grosseira.

Menor intensidade: • Aço com grãos mais finos • Martensita de menor C (ripa) • Revenido

291

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSCementação: Fadiga

Efeito do tamanho de grão γ e γ retida:

Testes de fadiga por dobramento em um aço SAE 8719 cementado a gás e a plasma.

Alto limite de fadiga → finos grãos austeníticos e baixa %γ retida.

Resultado

Resfriamento e reaquecimento após a cementação

292

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSCementação: Fadiga

Limite de fadiga em função do tamanho de grão (aço 8719)

Limite de fadiga em função da %γ retida (aço 8719)

293

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSTratamento criogênico

γ retida → fonte de instabilidade dimensional, tensões residuais excessivas e fissuração.

Mais proeminente em camadas cementadas de alto carbono e com elementos de liga, bem como em peças que foram temperadas diretamente de altas temperaturas de cementação.

Reduzem as temperaturas Ms e Mf. Em alguns casos, a temperatura Mf pode estar bem abaixo da temperatura ambiente, o que favorece a retenção de grandes quantidades de austenita.

Reduzir γ retida → tratamento criogênico ou subzero Basicamente uma continuação da têmpera, durante

o qual a austenita retida na camada cementada se transforma em martensita.A porcentagem de transformação está relacionada com a temperatura ao invés do tempo na temperatura, isto é, menores temperaturas de transformação garantem maiores níveis de transformação. Múltiplos tratamentos produzem ganhos cada vez menores. Quase toda a transformação é produzida pelo primeiro tratamento criogênico.

294

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSTratamento criogênico

A quantidade específica de transformação alcançada por um tratamento subzero é extremamente difícil de prever. O grau de relutância para a transformação a uma dada temperatura é influenciado por:

● Quantidade de γ retida no início do tratamento criogênico; ● Tempo decorrido entre a têmpera e o tratamento criogênico; ● Qualquer tratamento térmico intermediário, com o revenido; ● Nível geral de tensões residuais compressivas na peça; ● Qualquer trabalho a frio realizado no material, como o endireitamento; ● Geometria da peça/parte.

50

295

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSTratamento criogênico

Efeito do revenido:

O revenido de 150 a 175oC, antes do tratamento criogênico, é comumente realizado com o objetivo de se reduzir a tendência à formação de microtrincas subsuperficiais. O revenido tende a estabilizar a austenita retida. Uma temperatura levemente menor é necessária para se alcançar o mesmo grau de transformação com o tratamento subzero. Um longo período na temperatura ambiente provavelmente tem um efeito estabilizador mais forte do que o revenido imediatamente após a têmpera.

296

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSNitretação

Objetivos: - Obter alta dureza superficial - Alta resistência ao desgaste - Maior resistência à fadiga - Maior resistência à corrosão (formação de nitretos) - Baixas temperaturas de processamento (ferrítico) - Mínima distorção e ↑ controle dimensional (sem têmpera) Inconvenientes:

- Longos tempos de tratamento - Pequena profundidade de penetração (<0,5mm)

Nitretação → ToTo de endurecimento superficial que introduz nitrogênio na superfície do aço. A contrário da cementação, a nitretação é realizada a baixa T, quando o aço está ferrítico.

No que isto é importante?

297

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSMecanismo de endurecimento

- Solução sólida - Precipitação de nitretos - Formação de uma camada de nitretos

Não há necessidade de transformação martensítica!

298

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSEstrutura da camada nitretada

Depende do aço e parâmetros de tratamento

299

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSEstrutura da camada nitretada

Zona de difusão: Estrutura do núcleo com maior dureza Mecanismos de endurecimento: •Solução sólida→0,4% em peso de N→ancoramento de discord. •Precipitação→nitretos de Fe e de elementos de liga muito finos

↓ Travam o movimento de discordâncias

Camada de compostos (camada branca): Formação de nitretos (intermetálicos): γ’ → Fe4N → camada relativamente frágil ε→ Fe2-3N → carbono ajuda, por isso acrescentar CH4

boas propriedades tribológicas 300

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSEstrutura da camada nitretada

51

301

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSMicroestrutura

Camada branca

Zona de difusão

302

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSAços para nitretação

- Qualquer - Mas com Al,Cr,V, W, Mo → melhores resultados

Pré-tratamento térmico - Endurecíveis → têmpera e revenido - T de revenido > T de nitretação

Limpeza → antes da nitretação

Principal elemento adicionado: 0,85-1,5%

303

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSNitretação gasosa

Fonte de nitrogênio → gás (NH3) Dissociação da amônia: T = 510oC 2NH3 → 2N + 3H2 tempo = 12 a 120h

Nitretação sólida

Análogo à cementação sólida ou em caixa Fonte de nitrogênio → compostos orgânicos a base de N

304

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSNitretação líquida

Fonte de nitrogênio → sais fundidos (cianetos e cianatos) Contrário à cementação líquida → tratamento subcrítico

↓ Tratamentos de peças acabadas

↓ Estabilidade dimensional

Banho comercial: 60-70% →96%NaCN+2,5%Na2CO3+0,5%NaCNO 30-40% →96%KCN+0,6%K2CO3+0,75%KCNO+0,5%KCl T=565oC Modernamente→banhos sem cianeto→environmental friendly

305

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSNitretação a plasma

306

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSEtapas do processo:

- Limpeza - Evacuação da câmara → 0,05-0,1torr - Aquecimento da carga: --Simples → bombardeamento iônico --Modernamente → resistivo - Admissão do gás de tratamento → H2+N2 (CH4)→1-10torr - Sob a influência de um potencial elétrico (500-1000V)

↓ Dissociação e ionização do nitrogênio (plasma)

↓ Aceleração dos íons em direção ao cátodo

Perto do cátodo→íons de N recebem um elétron e emitem um fóton No impacto dos íons→energia cinética convertida em calor

52

307

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

308

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSNitretação

Camadas nitretadas são mais duras que camadas cementadas!

Detalhe importante → camadas nitretadas são estáveis em serviço até temperaturas próximas da temperatura de nitretação.

Justamente → os nitretos de elementos de liga formados são estáveis a alta T, o que mantém o seu efeito de aumento de resistência por precipitação.

Assim: A nitretação produz excelente resistência ao desgaste e ao emperramento para condições onde calor é gerado por fricção entre partes em contato e em movimento relativo.

309

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSCarbonitretação

Forma modificada da cementação a gás ↓

Adição de NH3 na atmosfera cementante: C e N introduzidos ↓

N aumenta a temperabilidade do aço ↓

Possibilidade de usar aços ao carbono ↓

Possibilidade→meios menos severos de têmpera→menos distorção ↓

Têmpera em óleo de 1010, 1020 e 1113 Tipicamente, a carbonitretação é realizada a menores temperaturas e por tempos mais

curtos do que a cementação a gás, produzindo uma camada mais rasa do que a cementação convencional. A carbonitretação é usada, primariamente, para criar uma camada dura e resistente ao desgaste, geralmente com 75-750 µm de profundidade 310

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Revestimentos protetores

Filmes finos protetores em ferramentas de corte e conformação

311

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSDeposição química de vapor - CVD

Deposição de camadas: - Metais - Carbono e silício - Carbetos, nitretos, óxidos, intermetálicos

Importante nas aplicações: - Semicondutores ou outros componentes eletrônicos - Revestimento em ferramentas, mancais (resistência ao desgaste). - Produtos óticos, ótico-eletrônicos e resistentes à corrosão

312

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Deposição de um sólido em uma superfície quente através de uma reação química a partir da fase vapor ou gasosa (precursor).

Reações: - Decomposição térmica (pirólise) - Redução - Hidrólise - Oxidação - Cementação - Nitretação

obs.: Podem acontecer individualmente ou em conjunto

Princípio

53

313

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Processos de CVD e equipamentos

Toda reação química → requer uma energia de ativação ↓

Vários métodos ↓

Ativação térmica ↓

Original e ainda o principal

314

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSCVD térmico

Reação ativada por alta temperatura (>900oC) Três componentes:

- Fornecimento de gás - Reator - Sistema de exaustão

315

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

CVD a plasma

- Opera em temperaturas mais baixas (300-700oC) - Deposição em substratos sensíveis a temperatura -- Metais de baixo ponto de fusão -- Transformação de fase -- Polímeros

- Diferenças de expansão térmica podem gerar trincas e delaminação do revestimento.

316

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Descrição do processo

Em CVD térmico: Elementos do filme → introduzidos via precursores gasosos

↓ Transportados até o substrato quente → adsorvidos

↓ Reações químicas → formação do filme no substrato

↓ Subprodutos de reação bombeados para fora do sistema

317

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSEm PACVD

Precursores gasosos → sujeitos a campos elétricos ↓

Reagem com elétrons livres ↓

Colisões elásticas e inelásticas com as moléculas do gás ↓

Excitação e ionização do gás ↓

Gerando espécies altamente reativas: - Neutrons excitados - Radicais livres - Íons - Mais elétrons

318

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Em PACVD Fração das espécies precursoras no gás sofrem ionização

e excitação por impacto de elétrons, gerando as espécies reativas. ↓

Menor barreira energética para reações físicas e químicas do que gás original.

↓ Reagindo a menores

temperaturas

Resultado: - Menores temperaturas - Maiores taxas de deposição

54

319

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSTermo-laser CVD ou pirólise a laser

Energia térmica do laser ↓

Aquece um substrato absorvente sem aquecimento do gás ↓

Aquecimento localizado → deposição restrita a área aquecida

320

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSFóton-laser CVD

Ação da luz (UV) → reação química ↓

Energia suficiente → quebrar as ligações químicas no gás

Fóton-laser CVD difere do laser CVD porque não requer calor

↓ Reação fóton-ativada

↓ Ocorre essencialmente na T ambiente

Vantagens → sem restrição do substrato Desvantagem → baixa taxa de deposição

321

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSMateriais típicos para CVD e reações

Metais refratários: - Rênio: 3180oC Redução do fluoreto pelo H2 na faixa de T de 500-900oC ReF6 +3H2 → Re + 6HF - Molibdênio: 2610oC

Redução do cloreto pelo H2 na faixa de T de 400 a 1350oC MoCl6 + 3H2 → Mo + 6HCl - Tungstênio: 3410oC

Redução do fluoreto pelo H2 na faixa de T de 300 a 700oC WF6 + 3H2 → W + 6HF

322

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSMateriais não metálicos

Grafite

Decomposição térmica de um hidrocarboneto ↓

Geralmente CH4 ↓

Pirólise a 1100oC ↓

CH4 → C + H2

323

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSDiamante

O CVD de diamante requer a presença de hidrogênio atômico, o qual seletivamente remove grafite, ativa e estabiliza a estrutura do diamante. A dissociação de hidrogênio requer uma fonte de alta energia.

CH4 → C (diamante) + 2H2

Mecanismo de deposição complexo e não totalmente compreendido.

324

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Materiais cerâmicos

Carbeto de silício: CH3SiCl3 → SiC + 3HCl T=900-1400oC em uma atmosfera de H2 • Carbeto de titânio: TiCl4 + CH4 → TiC + 4HCl

T=850-1050oC em uma atmosfera de H2 • Nitreto de boro: BCl3 + NH3 → BN + 3HCl T=1300oC

Nitreto de titânio: TiCl4 + NH3 +1/2H2 → TiN +4HCL T>900oC

Alumina: 2AlCl3 + 3H2 +3CO2 → Al2O3 + 3CO +6HCl T=1050oC com excesso de H2

55

325

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSDeposição física de vapor (PVD)

Técnica de revestimento por vaporização, envolvendo a transferência de material em um nível atômico.

Similar à CVD, exceto que o precursor é sólido.

PVD é realizado em vácuo, em 4 etapas: - Evaporação → alvo bombardeado e vaporizado - Transporte → átomos vaporizados para o substrato - Reação → reação entre átomos vapor. e gases durante transp. - Deposição → “construção” do revestimento no substrato

Objetivos: - Aumentar a dureza e a resistência ao desgaste - Reduzir a fricção - Aumentar a resistência à oxidação

326

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Aplicações

• Aeroespacial • Automotiva • Próteses e implantes cirúrgicos • Moldes e matrizes de injeção, forjamento etc... • Ferramentas de usinagem • Revólveres e pistolas

327

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSProcessos de deposição por PVD

Deposição a vácuo Átomos ou moléculas de uma fonte de vaporização alcançam

o substrato sem colidirem com moléculas de gás residual. Vantagem → alta taxa de deposição de materiais puros e varia- dos sobre uma grande área. Desvantagem → filmes sem propriedades ótimas Vácuo → < 0 ,1mtorr → bombardeamento do substrato por gás residual que pode contaminar o filme → < 10-7torr Temperatura → 25 a 500oC Deposição: - Metais puros → Al, Ag, Au, Ni, Cr, Ti, Mo, W - Ligas → Inox, Ni-Cr, Pb-Sn - Compostos → Al2O3, TiV, TiB2 Evaporação: resistivo (até 1800oC) e feixe de e (>1800oC). 328

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Evaporação reativa

Gás reativo + material vaporizado → composto e depositado

Exemplos: formação de óxidos ou nitretos Possibilidade de interface gradeada → melhor adesão

Evaporação reativa ativada

Gás reativo está ativado → íons ou outras espécies ativas ↓

Menor densidade de gás reativo e menor energia de ativação para as reações químicas → menor T

Ativação → por plasma, por exemplo.

329

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Sputtering Íons energéticos → bombardeamento → ejeção de átomos

do alvo para a forma gasosa Colisões → transferência de momento devido às colisões

Íon incidente Átomos do alvo

330

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Talvez → 1a colisão → empurre os átomos mais fundo Colisões subseqüentes entre os átomos

↓ Ejeção de alguns átomos próximos à superfície

↓ Sputtering

Fluxo de íons incidentes → produzido por plasma Funções do sputtering:

• Ataque por sputtering → remoção de material da superfície ↓

Limpeza • Deposição por sputtering → re-deposição dos átomos arrancados em uma outra superfície (substrato).

56

331

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSSputtering reativo e não reativo

Sputtering não reativo Gás inerte (argônio) → não participa na formação de

compostos no alvo e no substrato → gera o plasma e causa sputtering do material do alvo. Aplicação → deposição de finas camadas metálicas (ouro) para microscopia eletrônica. Possibilidade → deposição de TiN por sputtering de um alvo de TiN → alguns problemas → interessante sputtering reativo

332

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Sputtering reativo - Cátodo revestido por composto:

Gás reativo é inserido na câmara durante sputtering ↓

Formação do composto no alvo ↓

↓ Removido por sputtering e depositado no substrato

- Cátodo metálico: Cátodo → superfície metálica limpa Formação do composto → superfície do substrato

333

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Aplicações de filmes produzidos por sputtering • Revestimentos decorativos em armações de óculos, relógios etc...

334

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

• Filmes em ferramentas de usinagem e conformação

335

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Tratamentos Dúplex

Conceito do “gelo fino” de fundamental importância para os tratamentos dúplex

336

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSMecânica do contato

O contato ao lado envolve um cilindro elástico de raio R carregado contra um plano elástico por uma carga normal P.

De acordo com a teoria de Hertz, os dois corpos se deformam, resultando em um

contato de largura 2a com uma distribuição elíptica de pressão.

57

337

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Um exemplo da distribuição de tensões subsuperficiais de acordo com a teoria de Hertz é mostrado ao lado. Claramente, a máxima tensão cisalhante não ocorre na superfície, mas abaixo

desta, indicando que a falha é iniciada abaixo da superfície, onde a máxima tensão cisalhante ocorre.

338

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSEquações:

2a=largura do contato

p= tensão normal de contato

Máxima tensão cisalhante

Profundidade de máxima tensão cisalhante

l EE

Ra ⎟⎟ ⎠

⎞ ⎜ ⎜ ⎝

⎛ − +

− =

2

2 2

1

2 1 114 νν

π

2

2 2

1

2 1

2

11 1

EE R lp

ννπ − +

− ×=

contatodelinha acl

⋅⋅ =

arg

pMáx 301,0=τ

az 786,0=

339

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Na presença de fricção:

Na presença de fricção, onde se precisa considerar não somente a tensão normal mas também a tensão tangencial, o ponto de máxima tensão cisalhante (onde o escoamento iniciará) se localiza muito mais próximo à superfície, de forma que a deformação plástica pode ocorrer

mais prontamente do que no caso anterior. 340

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Critério de escoamento

O escoamento plástico iniciará, para esta geometria de contato, na profundidade de 0,79a (0,786), quando a tensão normal de contato for

1,5 x tensão de escoamento uniaxial em tração (σY ) ou quando a tensão cisalhante máxima (k) for igual a 0,5 σY. A medida que a carga

aumenta, a zona plástica aumentará em tamanho, atingindo a superfície. Isto ocorre quando a tensão normal de contato for igual a

3σY. Este é o valor de dureza por indentação do material (H).

341

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSDesgaste

Existem várias formas de desgaste, sendo que para a deformação plástica é fundamental para o funcionamento dos diferentes

mecanismos de desgaste. Há autores que afirmam que qualquer mecanismo de desgaste ocorre através de um processo de fadiga. É

notório que para que ocorra fadiga, deve existir necessariamente deformação plástica. Portanto, sem deformação plástica não há

desgaste. Assim, todo e qualquer processo que busque um aumento da resistência ao desgaste deve garantir um aumento da resistência ao

escoamento. É claro que nos mecanismo de desgaste adesivo e desgaste/corrosão, a reatividade química superficial também deve ser

considerada. Os processos de engenharia de superfície como a cementação e a

nitretação branda aumentam a resistência ao desgaste simplesmente pelo aumento da resistência ao escoamento (dureza). Já os processos de nitretação convencional, carbonitretação e filmes finos garantem

um aumento da resistência ao desgaste pelo aumento da dureza e pela produção de camadas com boa inércia química. 342

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGSTratamento dúplex

Para que ocorra deformação plástica, o critério de escoamento deve ser satisfeito. Com a nitretação, aumenta-se σY local (no ponto de máxima

tensão cisalhante), tornando-se necessário se aplicar uma tensão de contato maior. Além disso, quanto maior é a tensão de contato, mais

profundo é o ponto de máxima tensão cisalhante. É por isso que quanto mais severo for o carregamento, mais profunda dever ser a zona de difusão. A intensidade da tensão de contato é função da aplicação.

Caso o substrato não garanta sustentação de carga, ocorrerá deformação plástica neste, produzindo flexão e ruptura do filme fino (Thin-Ice

Effect).

Dependendo da aplicação (condições de carregamento), apenas um processo não pode garantir o desempenho esperado. Daí surgiu o que Bell chamou de “Second Generation of Surface Engineering”, que

incorpora dois ou mais tratamentos que combinados garantem resultados que não poderiam ser alcançados por apenas um tratamento.

58

343

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

Efeito do gelo fino

344

Prof. Carlos Fortis Lamef - UFRGS

0 0,05 0,1

0,15 0,2

0,25 0,3

0,35 0,4

0,45 0,5

0 100 200 300 400 500 600 Tempo de usinagem (min.)

D es

ga st

e de

fl an

co V

B B

(m m

) Simples TiN Duplex TiN

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