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Índice
- 1 – Introdução
- 2 – Temperabilidade
- 2.1 – Utilização dos diagramas TTT e de arrefecimento contínuo
- 2.2 – Ensaios de temperabilidade
- 2.3 – Efeito do tamanho de grão e da composição química na temperabilidade
- 2.4 – Temperabilidade e tratamento térmico
- 3 – Tratamento térmico de têmpera
- 3.1 – Aquecimento
- 3.2 – Estágio de têmpera
- 3.3 – Arrefecimento
- 3.4 – Factores que influenciam os resultados de têmpera
- 3.5 – Erros cometidos na têmpera
- 4 – Tratamento térmico de martêmpera
- 4.1 – Meios de arrefecimento na martêmpera
- 4.1.1 – Banho de sais para martêmpera
- 4.1.2 – Óleos para martêmpera
- 4.2 – Aços para martêmpera
- 4.2.1 – Aços de baixo e médio teor de carbono
- 4.2.2 – Graus incertos
- 4.2.3 – Efeito da massa
- 5 – Tratamento térmico de austêmpera
- 5.1 – Meios de arrefecimento na austêmpera
- 5.1.1 – Banhos de sais para austêmpera
- 5.1.2 – Óleos para austêmpera
- 5.2 – Aços para austemperização
- 5.2.1 – Temperatura de austemperização
- 5.3 – Limitação das secções das peças para austêmpera
- 5.4 – Aplicações
- 5.5 – Controlo das variáveis de processo
- 5.6 – Controlo dimensional
- 6 – Glossário
- 7 – Bibliografia
Têmpera, Martêmpera e Austêmpera
1 - Introdução
A via tradicional para obter alta resistência nos aços é a têmpera para martensite. Esta é subsequentemente reaquecida, ou revenida, a uma temperatura intermédia, o que aumenta a tenacidade do aço sem grande perda de resistência. Para que se possa obter a resistência óptima, um aço tem pois de ser previamente transformado em martensite. Para isso, é necessário que o aço seja temperado a uma velocidade suficientemente rápida, que impeça a decomposição da austenite, durante o arrefecimento, em produtos como a ferrite, a perlite e a bainite. A adição de elementos de liga a um aço desloca normalmente as curvas TTT para tempos mais longos, permitindo evitar o nariz da curva durante a operação de têmpera, quer dizer, a presença de elementos de liga reduz a velocidade crítica de arrefecimento necessária para que um provete de aço fique completamente martensítico. Se esta velocidade critica não for alcançada, o provete de aço será martensítico nas regiões exteriores que arrefecem mais depressa, mas a menor velocidade de arrefecimento no centro originará bainite, ferrite ou perlite, dependendo das circunstâncias particulares. Deste modo surgem tratamentos térmicos tais como martempera e austempera, que tem como função atingir estruturas completamente martensiticas sem que ocorram defeitos ou grandes distorções, (que possam prejudicar a massa dos provetes) resultantes do rápido arrefecimento ou seja devido à severidade da têmpera. A capacidade de um aço formar martensite na têmpera designa-se por temperabilidade. Usando varões de aço de tamanho padrão, a temperabilidade pode ser expressa pela distância, medida a partir da superfície, à qual há 50 % de transformação em martensite, após um tratamento de têmpera padrão, a temperabilidade é, portanto, uma medida da profundidade de endurecimento.
2 – Temperabilidade
2.1 - Utilização dos diagramas TTT e de arrefecimento contínuo
Os diagramas TTT constituem um bom ponto de partida para avaliar a temperabilidade; no entanto, estes diagramas descrevem, de facto, a cinética da transformação da austenite em condições isotérmicas, e, por isso, dão apenas uma indicação grosseira sobre o que acontece na prática. Considere-se, por exemplo, o efeito do aumento do teor de molibdénio: a figura 1 e 2 mostra os diagramas TTT para dois aços, respectivamente, 0,4 % C 0,2 % Mo e 0,3 % C 2 % Mo. O aço com 0,2 % Mo começa a transformar-se após cerca de um segundo a 550 ºC; quando o teor de molibdénio aumenta para 2 %, a curva em C desloca-se para cima e, simultaneamente, a velocidade de reacção diminui bastante, de modo que o nariz da curva fica acima de 700 ºC e a reacção inicia-se após quatro minutos. O segundo aço tem, portanto, uma temperabilidade muito mais elevada do que o aço com 0,2 % Mo. As naturais limitações de aplicabilidade dos diagramas isotérmicos a situações que envolvam uma gama de velocidades de arrefecimento, no intervalo de temperatura de transformação, levaram ao desenvolvimento de diagramas mais realistas os diagramas de arrefecimento contínuo (CCT). Nestes diagramas está representada a evolução da transformação com a temperatura, para uma série
Figura 1 – Diagrama TTT de um aço – molibdénio 0.4 C, 0.2 MO
de velocidades de arrefecimento. Para construir o diagrama usam-se provetes cilíndricos, que são submetidos a diferentes velocidades de arrefecimento. O início da transformação é detectado por medidas de dilatometria, permeabilidade magnética ou outra propriedade física. Os produtos de transformação - ferrite, perlite ou bainite - podem ser previstos a partir dos diagramas isotérmicos e confirmados por exame metalográfico. Os resultados são depois representados num
Figura 5 - Coeficientes-H de diversod meios de têmpera
meios de têmpera. Usando os coeficientes-H, é possível determinar, em vez de D 0 um diâmetro crítico ideal D , que daria 50 % de martensite no centro do provete se a superfície fosse arrefecida a uma velocidade infinitamente rápida, isto é, H = F 03 A. Nestas condições é obviamente D 0 = Di a que corresponde a curva de referência superior da família de curvas para diferentes valores de H (figura 6. Na prática, H varia entre cerca de 0,2 e 5,0 ( figura 5). Se um ensaio de têmpera for realizado para um valor de H = 0,4, por exemplo, e for medido o valor de D 0 então o gráfico da
Figura 6 – Determinação do diâmetro ideal a partir do diâmetro critico e da severidade de têmpera (para aços ao carbono e mediamente ligados)
figura 6 pode ser utilizado para determinar Di Este valor é, portanto, uma medida da temperabilidade de um aço, independente do meio de têmpera usado. O ensaio de Jominy. Embora o ensaio de temperabilidade de Grossman permita obter bons resultados, foram desenvolvidos outros ensaios, menos elaborados, para determinar a temperabilidade. Entre estes, o mais importante é o ensaio de Jominy, no qual um provete cilíndrico de dimensões padrão (25,4mm de diâmetro, 102mm de comprimento) é aquecido à temperatura de austenitização, sendo depois colocado num dispositivo onde uma das extremidades é temperada por um jacto de água com características normalizadas (figura 7). Nestas condições, a velocidade de arrefecimento diminui ao longo do provete, a partir da extremidade temperada a correspondente variação de dureza é determinada por medidas desta propriedade, efectuadas em regiões planas, rectificadas, paralelas ao eixo do provete, e a 4 mm de profundidade (figura 8).
Figura 8 – Curvas Jominy de dureza - distância para aços de baixa e elevada temperabilidade
Figura 7 – Ensaio de Jominy e dimensões do provete
A figura 9 mostra uma curva de dureza típica para um aço contendo 1 %Cr 0,25 %Mo 0,4 %C, a curva de cima representa a dureza obtida para o limite superior do intervalo de composição do aço, enquanto a curva de baixo corresponde ao limite inferior da composição.
Figura 9 –Banda de temperabilidade para o aço En 19B
A área entre as curvas é designada por banda de temperabilidade ou banda Jominy. É vantajoso determinar certas características adicionais relacionadas com a temperabilidade, como seja a variação da dureza dos aços temperados em função quer do teor de carbono, quer da proporção de martensite na estrutura. Resultados deste tipo estão indicados na figura 10 para aços no estado temperado com 50 a 99 % de martensite. A dureza para 50 % de martensite pode ser facilmente determinada para um dado teor de carbono, deterininando-se depois, por análise dos resultados do ensaio de Jominy, a profundidade à qual se obtém 50 % de martensite.
Figura 10 –Efeito da percentagem de martensite e do teor de carbono na dureza após têmpera
O ensaio de Jominy é hoje em dia muito usado para determinar a temperabilidade no domínio D (^) i = 1-6; para valores superiores, o ensaio é de reduzida aplicabilidade. A partir dos resultados do ensaio, é fácil determinar o maior diâmetro de um varão que pode ser completamente endurecido. A figura11 relaciona o diâmetro dos varões com as distâncias
Jominy a que se verificam velocidades de arrefecimento iguais às obtidas no centro dos varões, para uma série de diferentes condições de têmpera. Considerando a têmpera ideal (H = F 03 A ), a que corresponde a curva de cima do gráfica da figura 11, vê-se que a velocidade de arrefecimento a uma distância Jominy de 12,5 mm é equivalente à que se verifica no centro de um varão de 75 mm de diâmetro. Este diâmetro reduz-se a um valor ligeiramente superior a 50 mm, para uma têmpera em água em repouso (H = 1). Por exemplo, um aço que contém 50 % de martensite a 19 mm da extremidade temperada, usando têmpera em óleo em repouso (H = 0,3), terá um diâmetro crítico D 0 de 51 mm.
Figura 11 – Equivalência entre distâncias Jominy e diâmetro dos varões
O diagrama da figura 11 permite também determinar a dureza no centro de um provete cilíndrico de um aço particular, desde que se tenha realizado um ensaio de Jominy para esse aço. Suponhamos, por exemplo, que se quer saber a dureza no centro de um provete cilíndrico, de 50 mm de diâmetro, temperado em água em repouso; a figura 11 indica que essa dureza será alcançada, no provete de ensaio Jominy, a uma distância da extremidade temperada aproximadamente igual a 12 mm. Utilizando depois as curvas de dureza Jominy em função da distância, determina-se o valor correspondente da dureza. Quando se pretende determinar os valores de dureza para outros pontos de provetes cilíndricos, por exemplo, na superfície ou a metade do raio, utilizam-se outros diagramas apropriados [7].
2.3 - Efeito do tamanho de grão e da composição química na temperabilidade
As duas variáveis mais importantes que influenciam a temperabilidade são o tamanho de grão e a composição. A temperabilidade aumenta com o aumento do tamanho de grão da austenite, porque diminui a área dos limites de grão. Isto significa que os locais de nucleação da ferrite e da perlite são em menor número, o que provoca o retardamento destas transformações e portanto o
Figura 12 – Efeito do teor de carbono e do tamanho do gão na temperabilidade de aços carbono
aumento da temperabilidade. Do mesmo modo, a maioria dos elementos de liga metálicos diminui a velocidade das reacções ferrítica e perlítica, aumentando também a temperabilidade. Porém, é necessária uma avaliação quantitativa destes efeitos. O primeiro passo consiste na determinação do efeito do tamanho de grão e do teor de carbono. Neste sentido foram efectuadas determinações de D (^) i para aços com teores de carbono entre 0,2 e 1 % e para um intervalo de tamanhos de grão (ASTM 4-8), como se mostra na figura 12. A partir deste diagrama é possível obter, para um aço qualquer, um valor base da temperabilidade, D (^) ic , que é seguidamente corrigido para ter em conta o efeito de elementos de liga adicionais. Esta correcção é feita por meio de factores multiplicativos, que foram determinados experimentalmente para os elementos de liga comuns (figura 13). O diâmetro crítico ideal D (^) i é então calculado a partir da relação empírica:
Di = DicF 0 3 32,21 (%Mn)F 0 3 31,40 (%Si)F 0 3 32,13 (%Cr)F 0 3 33,275 (%Mo)F 0 3 31,47 (%Ni) (percentagens em peso)
Esta relação, devida a Moser e Legat é, na prática, mais exacta do que uma outra proposta anteriormente por Grossman. No caso dos aços de alto carbono é necessário proceder a mais correcções, que têm em conta a temperatura de austenitização, mas, em regra, a relação é bastante boa na previsão da temperabilidade. É igualmente possível, usando análise regressiva, calcular as curvas de dureza Jominy em função da distância, a partir da composição química. No entanto, o ensaio de Jominy é relativamente fácil de realizar, sendo bastante utilizado como técnica de controlo da qualidade e, portanto, não é certamente muito necessária uma relação
A têmpera é constituída por três fases: o aquecimento; o estágio à temperatura de têmpera; e o arrefecimento. Com o aquecimento pretende-se que a peça austenitise completamente com o objectivo de transformar opós arrefecimento a austenite totalmente em martensite. As propriedades que se pretende obter num determinado aço já lá estão mas num estado latente. É portanto necessário um tratamento cuidadoso e apropriado de modo a se por em evidencia essas propriedades que se encontram em estado latente.
3.1 - Aquecimento
Ao proceder-se ao aquecimento das peças em aço não pode deixar de ser tomada em consideração a sua condutibilidade térmica. Na verdade os aços com muita liga têm uma condutibilidade térmica baixa pelo que necessitam ser aquecidos lentamente para que as tensões devidas às diferenças de temperatura sejam evitadas. Estas tensões podem causar distorções e até fracturas. Atendendo ao facto destes aços terem normalmente temperaturas de têmpera elevadas deve proceder-se a um preaquecimento para se tentar minimizar o efeito da fraca condutibilidade térmica dos aços ligados. Os aços com temperatura de têmpera superior a 900ºC devem ser aquecidos e mantidos a uma temperatura intermédia antes de serem aquecidos à temperatura de têmpera. Os aços com temperaturas de têmpera superiores a 1000ºC devem ser aquecidos em dois e três degraus. O ideal seria fazer-se sempre um aquecimento em degraus: 1 degrau para temperaturas de têmpera até 900ºC, 2 degraus para temperaturas de têmpera de 1000ºC e 3 para temperaturas superiores a 1000ºC. O numero de degraus depende ainda da forma geométrica da peça a temperar. O aquecimento em degraus assegura um aquecimento uniforme em toda a secção da peça e evita o sobreaquecimento das arestas e da superfície. Para um aquecimento uniforme deve-se ainda considerar a relação de dimensões entre o forno e a peça que deve ser na ordem de 1/3 do volume do forno. Um outro problema de têmpera é a descarburização ou oxidação das peças em virtude da atmosfera oxidante existente no forno às temperaturas de têmpera. Uma solução simples para este problema é o empacotamento das peças em papel de jornal e as meter em caixas fechadas ou então empacotar em coque queimado e moído. Ambos os processos apresentam bons resultados, embora o mais adequado será a utilização de fornos onde se pode controlar a atmosfera ou em banhos de sais. Como regra geral, deverá dizer-se que as peças de forma complicada ou pouco espessas deverão ser elevadas ao limite inferior da zona de temperaturas prescrita para têmpera enquanto que as de grandes dimensões ou de forma simples devem ser aquecidas até ao limite superior indicado pelo produtor. Poderá definir-se a temperatura de têmpera mais apropriada como aquela que permite obter do aço a sua dureza própria assim como um grão tão fino quanto possível. Os valores das temperaturas indicados devem ser observados com rigor pois se a temperatura de têmpera for ultrapassada corre-se o risco de aumentar desnecessariamente o tamanho do grão e, para as peças não empacotadas, de provocar uma descarborização exagerada da superfície. Se tal acontecer diz-se que o aço foi sobreaquecido. Se a elevação da temperatura for muito exagerada, obter-se-á uma estrutura grosseira e frágil devida à fusão das impurezas que cercam os grãos e que ao solidificarem se apresentam em forma de finas películas de vidro sem coesão com os grãos. Diz-se então que o aço está queimado não sendo possível qualquer tratamento para a sua recuperação [1].
3.2 - Estágio de Têmpera
O estágio à temperatura de têmpera tem por fim a obtenção duma estrutura totalmente austenítica própria para a operação de arrefecimento. No entanto esta condição só é obtida nos aços hipoeutectoides nos quais a temperatura de têmpera superior cerca de 50ºC à temperatura crítica A (^) 3. Para os aços hipereutectoides deveria pretender-se que a temperatura fosse tal que toda a massa do aço fosse austenite. No entanto, verifica-se que se obtêm pelo menos tão boas características como se procedesse à austenitização completa aquecendo a uma temperatura cerca de 50ºC superior à temperatura crítica dada pela linha A 1 , isto é, à mesma temperatura do aço eutectóide. Portanto, para os aços hipoeutectoides, constituídos por perlite e ferrite, que são constituintes macios, procede-se à austenitização acima de Ac3 para se obter a martensite por arrefecimento suficientemente rápido. Para os aços hipereutectoides, formados por perlite e cementite, só interessa transformar em austenite a perlite pois que a cementite é mais dura que a martensite, podendo ficar como constituinte final juntamente com a martensite. Por isso é suficiente aquecer o aço acima da linha SK , que é o limite da estabilidade da perlite. Por esta razão a martensite dos aços hipereutectoides possui aproximadamente 0,86%C seja qual for o teor total em carbono do aço. Consequentemente a dureza obtida por têmpera é, para estes aços, sensivelmente a mesma que para o aço eutectóide conforme mostra a figura 15. Com efeito, este diagrama mostra a influência do teor em carbono na dureza do aço obtida por têmpera brusca. Este diagrama é valido para os aços com ou sem liga uma vez que a influência dos outros elementos de liga na dureza é desprezável. Verifica-se que o máximo de dureza é de 66-68 HRC.
Figura 15 – Relação entre a dureza obtida por têmpera e o teor em carbono
O carbono necessário à operação de têmpera encontra-se combinado sob a forma de carbonetos que se dissolvem, entretanto, em consequência do estágio à temperatura de têmpera. A solubilidade dos carbonetos varia com a sua composição, estando os carbonetos de vanádio e os de tungsténio entre aqueles que mais dificilmente se dissolvem. exactamente para se conseguir uma dissolução conveniente dos carbonetos é que a temperatura de têmpera é de pelo menos 40ºC superior ao ponto de transformação. No entanto, a presença de carbonetos dificilmente solúveis chega a elevar aquela temperatura até cerca de 300ºC acima do ponto de transformação. O tempo de estágio à temperatura de têmpera depende de vários factores: composição química do aço, dimensão da peça, temperatura de têmpera, modo como se processa o aquecimento até aquela temperatura. Como já foi indicado, nos aços com elevado teor em carbono, portanto com elevadas quantidades de carbonetos, faz-se dissolver apenas uma parte destes carbonetos para a obtenção da dureza máxima da matriz. Os restantes carbonetos, que se encontram por dissolver à temperatura de têmpera, permaneceram não dissolvidos após o arrefecimento. Estes aços são mais resistentes ao desgaste que os aços com a mesma dureza mas sem carbonetos não dissolvidos. Como regra geral para cálculo do tempo de estágio à temperatura de têmpera pode indicar-se:
- para aços sem liga ou pequena liga: 5 minutos por 10 mm de espessura
- para aços com liga média: 7 minutos por 10 mm de espessura
- para aços com muita liga: 10 minutos por 10 mm de espessura.
têmpera por histerese que consiste em baixar a temperatura de têmpera até uma temperatura inferior àquela em cerca de 100 a 200ºC e permanecer a esta temperatura em toda a massa da peça. Só então se procede ao arrefecimento normal de têmpera. Deve notar-se que para o tempo de estágio àquela temperatura se deve ter em conta que nenhuma transformação se pode processar. Assim deverá ser consultado o diagrama TTT respectivo para se estudar qual a temperatura e o tempo de estágio mais adequado [1].
3.4 - Factores que Influenciam os Resultados de Têmpera
Dos factores que têm influência nos resultados da têmpera, são os seguintes aqueles que têm maior influencia:
- (^) Meio de arrefecimento O arrefecimento das peças num líquido se processa em três fases. Com efeito, teremos uma primeira fase que começa no momento em que a peça é mergulhada e que se caracteriza pela formação duma capa de vapor envolvendo a peça o que dificulta o arrefecimento. Consequentemente, o arrefecimento é bastante lento nesta fase. Os factores que exercem influência nesta fase são os seguintes: a temperatura inicial do banho, a sua temperatura de ebulição, a condutibilidade térmica do seu vapor e o grau de agitação do banho. A Segunda fase caracteriza-se pelo desaparecimento da camada de vapor se bem que no líquido, que continua a ferver em contacto com a peça cuja temperatura é ainda elevada, se formam bolhas. Nesta fase o arrefecimento é bastante mais rápido que na primeira sendo influenciado pela viscosidade do líquido e pelo seu calor de vaporização. Finalmente aparece a terceira fase em que a velocidade de arrefecimento é pequena uma vez que a diferença entre a temperatura da peça e a do banho é relativamente baixa. Nesta fase o arrefecimento faz-se por convecção e condução, sendo função da condutibilidade térmica do líquido e do grau de agitação do banho. Naturalmente que o volume de líquido do banho tem também influência no arrefecimento. Com efeito, quanto maior for o volume do banho menor será o seu aquecimento à medida que a peça liberta calor e, consequentemente, mais enérgico será o arrefecimento [1] [7].
- (^) Composição química do aço O teor em carbono do aço tem influência sobre a temperatura de têmpera, a velocidade crítica e a dureza obtida. Na verdade a temperatura de têmpera baixa à medida que o teor em carbono vai crescendo até 0,86%. Além disso, a velocidade crítica baixa com o aumento do teor em carbono. A adição de elementos de liga vai exercer também a sua influência, deslocando o ponto eutectóide, isto é, modifica o teor em carbono correspondente ao ponto eutectóide do aço de liga assim como modifica a temperatura de transformação. A influência dos elementos de liga sobre as curvas TTT é, traduzida por um deslocamento das curvas para a direita. Consequentemente os elementos de liga provocam uma diminuição da velocidade crítica de têmpera, aumentando a profundidade de têmpera [1] [7].
- Tamanho do grão A influência do tamanho do grão faz-se sentir especialmente sobre a velocidade crítica de têmpera. Assim, para um dado aço a velocidade crítica de têmpera diminui com o aumento do tamanho do grão do aço uma vez que provoca um deslocamento das curvas TTT para a direita [1] [7].
- Dimensões da peça As dimensões da peça tem uma grande influência nos resultados finais da têmpera dessa peça. Com efeito, no arrefecimento das peças pouco espessas a diferença de temperatura entre o núcleo e a periferia da peça é muito pequena. No entanto, tratando-se de peças de grande
diâmetro ou espessura verifica-se que no arrefecimento existe uma diferença apreciável entre a temperatura do núcleo e a da periferia, naturalmente a temperatura é superior no núcleo, sendo a diferença tanto maior quanto maior for a espessura. Dado que a temperatura no início do arrefecimento é a mesma em toda a peça verifica-se a existência dum gradiente de velocidade de arrefecimento, maiores na periferia e mais baixas no núcleo. Temos, assim, para a periferia e para o núcleo duas curvas de arrefecimento diferentes. A partir de certa espessura a velocidade de arrefecimento é inferior à crítica, deixando de se formar martensite. A fractura duma peça mostra-nos distintamente as duas zonas; uma com grão fino a partir da periferia que é a zona temperada e outra com grão grosseiro, no núcleo, que é a zona não temperada em que a velocidade de arrefecimento foi inferior à velocidade crítica. Para uma dada qualidade de aço e para as mesmas condições de arrefecimento a profundidade da zona temperada diminui com o aumento do diâmetro ou espessura da peça embora esta variação não seja muito sensível. Se o raio da peça é igual à penetração da têmpera toda a massa da peça se apresenta temperada [1] [7].
- Temperatura da têmpera A profundidade de têmpera aumenta com a elevação da temperatura de têmpera, o que alias é justificado pelo deslocamento para a direita das curvas TTT que aquela elevação de temperatura origina e pela consequente diminuição da velocidade crítica de têmpera [1] [7].
3.5 - Erros Cometidos na Têmpera
A pratica dos tratamentos térmicos exige que seja tomada uma série de medidas e que seja observada uma série de regras para que se possa diminuir os riscos de insucesso. Na verdade, mesmo tomando os maiores cuidados acontecem por vezes fracassos que nunca chegam a Ter explicação. Acontece, com certa frequência, especialmente em instalações onde raramente são praticados tais tratamentos, não se tomarem as precauções necessárias pelo que achamos de interesse indicar uma lista com as causas e as consequências de tratamentos térmicos defeituosos. Verifica-se também com certa frequência serem imputadas às más qualidades do aço tratado as culpas dum insucesso. No entanto, as causas mais frequentes residem em aspectos defeituosos da execução do tratamento. Embora não possa ser excluída a hipótese dum defeito do material os cuidadosos mios de controle actualmente usados pela grande maioria dos fabricantes restringe bastante esta hipótese. De qualquer modo, em presença dum insucesso deve a peça ser cuidadosamente analisada por métodos convenientes para se concluir da sua origem. É corrente guardar-se peças defeituosas pois delas se pode sempre tirar ensinamentos úteis para a melhoria dos resultados a obter. Como as causas e as consequências dum tratamento térmico defeituoso podem ser muito diversas daremos em seguida uma relação das mais frequentes:
Dureza insuficiente ou não homogénea Causas:
- temperatura de têmpera insuficiente ou aquecimento irregular;
- temperatura de têmpera demasiado elevada ou estágio demasiado longo à temperatura de têmpera;
- descarbonização da camada superficial
- zonas macias provocadas por bolhas de vapor durante o arrefecimento;
- queda da temperatura da peça em consequência duma grande distância entre o forno e o banho;
- utilização não apropriada da tenaz ou demasiada superfície da peça a temperatura coberta pelas garras da tenaz;
- meio de arrefecimento não apropriado;
têmpera menos drásticos, por exemplo, óleo em vez de água, e que, consequentemente, se têm de fazer ajustamentos da temperabilidade para conseguir um endurecimento completo ao longo da secção. As tensões de transformação resultam da variação de volume associada à formação de uma nova fase. Por exemplo, quando a austenite se transforma em martensite num aço com 1 % de carbono, há um aumento de volume de 4 %, enquanto a transformação em perlite provoca um aumento de 2,4 %. O efeito destas alterações de volume na distribuição de tensões depende de as reacções na superfície e no interior se iniciarem ou não simultaneamente e de a temperabilidade ser ou não suficiente para permitir um endurecimento completo. Se a reacção martensítica só ocorrer à superfície, esta ficará solicitada à tracção ao passo que no interior aparecerão tensões de compressão. Esta situação é mais pronunciada quando a transformação martensítica ocorre em todo o diâmetro, isto é, no caso de pequenas secções, ou em aços de alta temperabilidade. A presença de tensões de tracção na superfície não é aconselhável pelas razões já indicadas, sendo portanto evidente que, nalguns casos, uma alta temperabilidade pode criar problemas. Estes podem ser evitados utilizando aços em que se forme apenas uma camada endurecida relativamente fina, à superfície, a qual pode ser mantida num estado de compressão. Os métodos de tratamento superficial, como a cementação e a nitretação, nos quais a concentração do elemento intersticial aumenta consideravelmente através de um processo de difusão, conduzem não só a superfícies duras resistentes ao desgaste, mas também a superfícies que resistem à propagação de fissuras, já que estão sujeitas a tensões de compressão. A martensite é uma fase muito frágil e tanto mais quanto maior for o teor de carbono. Nas martensites de alto teor de carbono ocorre o fenómeno em cascata, no qual novas lamelas de martensite são sucessivamente nucleadas por lamelas já formadas, e, por isso, observam-se frequentemente fissuras nos pontos de contacto entre uma lamela em crescimento e lamelas já existentes. Estas microfissuras constituem, como é evidente, núcleos para a propagação de fissuras maiores. Em termos gerais, a fissuração de têmpera tende a ocorrer quando as tensões de têmpera não foram suficientemente relaxadas por deformação plástica a temperaturas elevadas, e atingem, portanto, a tensão de fractura do aço. Tal como na fissuração por fadiga, a solução mais eficaz consiste em criar tensões de compressão na região mais vulnerável do aço. Convém tomar certas precauções, bastante óbvias, para impedir esta fissuração, incluindo o recurso a uma têmpera mais lenta, compatível com a obtenção da dureza adequada. Deve também evitar-se, sempre que possível, a concentração de tensões devida a entalhes, sulcos profundos de maquinagem e variações bruscas de secção, já que todas elas encorajam a nucleação de fissuras de têmpera. A composição do aço é importante, porque as características da transformação da austenite influenciam a incidência da fissuração. O efeito do carbono já foi referido, mas verifica-se também que a temperatura M (^) S , diminui quando aumenta o teor de carbono. Assim,
nos aços com teor de carbono mais elevado, a relaxação das tensões de têmpera é mais difícil do que no caso da martensite começar a formar-se a temperaturas mais elevadas, para as quais a relaxação de tensões no aço ocorre predominantemente por deformação e não por fractura. Além disso, quanto mais baixa for a temperatura M (^) S, maior é a variação de volume durante a transformação e, por conseguinte, maiores serão as tensões de deformação resultantes. Os elementos de liga metálicos também diminuem M (^) S mas, como aumentam bastante a temperabilidade, permitem uma têmpera em condições menos drásticas, o que reduz muito a probabilidade de distorção e fissuração. [1]
4 – Tratamento térmico de Martêmpera
Uma forma muito eficaz de reduzir as tensões de têmpera consiste em interromper a têmpera imediatamente acima de M (^) S na região austenítica metaestável do diagrama TTT isto consegue-se fazendo a têmpera num banho de sais, à temperatura apropriada. Quando todo o componente tiver atingido a temperatura do banho, e antes que ocorra qualquer transformação isotérmica, o aço é arrefecido ao ar, através do domínio martensítico, até à temperatura ambiente. Este processo de têmpera interrompida é designado por martêmpera ou por mar-revenido,
embora não haja qualquer revenido, a martensite tem de ser revenida da forma habitual. Este processo é muito útil porque minimiza as distorções, mas, para que tenha êxito, é preciso que o aço tenha uma temperabilidade adequada que impeça as reacções perlítica e bainítica. Aplica-se normalmente a aços ligados, que poderiam igualmente ser endurecidos por têmpera em óleo. Para obter bons resultados com a martêmpera é necessário conhecer com exactidão o intervalo de temperatura de formação, da martensite e o efeito do tamanho de grão da austenite sobre os limites desse intervalo. Existe ainda outro tipo de martempera designada por martempera modificada. Este processo só difere da martempera convencional na temperatura a que se encontra o banho de sais, que é desta forma mais baixa – estando esta temperatura assim abaixo do ponto M (^) S cerca de 95ºC – desta forma são obtidas taxas de arrefecimento mais elevadas do que com martempera convencional.
Figura 17
Este processo é importante para o tratamento térmico dos aços de baixa dureza, que requerem um arrefecimento rápido para se obter uma dureza suficientemente elevada. Assim a martempera modificada é aplicável a uma vasta gama de aços. Uma outra vantagem em relação à martempera convencional reside no facto de, pela necessidade de temperaturas mais baixas nos banhos de sais, os equipamentos associados a esta parte do processo sejam mais baratos e de mais fácil manutenção. De um modo geral, na prática são obtidos resultados uniformes e produtivos pelos dois processo:martempera convencional e martempera modificada. Contudo no processo de martempera modificada poderão ocorrer maiores distorções nas peças ou outros defeitos devido a uma maior severidade do arrefecimento em peças sensíveis ao tratamento de têmpera.
4.1 – Meios de arrefecimento na Martêmpera
Os banhos de sais e os óleos quentes extensamente usados no tratamento térmico de martempera. Deste modo vários factores devem ser considerados se se pretende escolher entre o banho de sais e o óleo quente. A temperatura de funcionamento é o parâmetro funcional com maior influência na decisão da escolha. Os óleos muito usados para martêmperas até uma temperatura de funcionamento 210ºC, e em algumas instâncias até uma valor mais elevado cerca de 260ºC. Os banhos de sal fundido são usados para martêmperas que necessitem de uma gama de temperaturas dos 210ºC aos 400ºC [3] [6].
4.1.1 - Banhos de sais para martêmpera O sal que normalmente é usado para tratamento térmico de martempera é composto de 50% a 60% nitrato de potássio, 37% a 50% nitrito de sódio e 0% a 10% nitrato de sódio. O sal derrete a aproximadamente 140ºC e pode ser usado em trabalhos cuja temperatura de funcionamento poderá ir de 165ºC a 540ºC F, embora, normalmente não é usado para trabalhos cuja temperatura de funcionamento é inferior a 180ºC. O poder refrescante do sal agitado a 210ºC é aproximadamente igual ao poder refrescante do óleo quente. As adições de água no sal aumenta o seu poder refrescante, como se pode identificar pelas curvas de arrefecimento do aço 1045 apresentadas na figura 19 e pelos valores de dureza obtidos no aço 1045 apresentados na figura 18. O poder refrescante do sal adicionado de água ou não e outros e outros dois tipos de arrefecimento são mostrados também na figura19 [3] [6].
Os aços ligados são geralmente mais adaptáveis para sofrer o tratamento térmico de martempera que os aços ao carbono. Em geral qualquer aço que normalmente é arrefecido em óleo pode ser martemperado. Alguns aços ao carbono que normalmente são arrefecidos em água podem ser martemperados a 210ºC em secções tão finas como 3/16 in, usando uma agitação forte. As classes dos aços que normalmente são tratados térmicamente com um tratamento térmico de martempera para aumento da sua dureza incluem os 1090, 4130, 4140, 4150, 4340, 4640, 5140, 6150, 8630, 8640, 8740 e 8745. As classe carbonizadas incluem aços tais como 3312, 4620, 5120, 8620 e 9310 que são normalmente martemperados após serem carbonizados. Ocasionalmente aços fortemente ligados como o tipo 410 (inoxidáveis), são ligados, mas esta prática não é muito comum. Resultados prósperos de martempera estão baseados num conhecimento das características de transformação (curva TTT) do aço que é considerado. As gamas limite de temperatura da formação da martensite é um factor especialmente importante. A figura 20 mostra as gamas limite de temperatura da formação da martensite para aços ao carbono e aços fracamente ligados. Desta forma podem ser observadas duas tendências nestes dados: 1 - Com um aumento constante do carbono, as gamas limite de temperatura alargam-se e a temperatura de transformação da martensite torna-se mais baixa; 2 – As gamas limite de temperatura de formação da martensite nas ligas triplas (Ni – Cr – Mo) são normalmente mais baixas do que as das ligas duplas ou mesmo de único elemento de liga, para as mesmas percentagens de carbono. [3] [6].
Figura 20 - Gamas limite de temperatura da formação da martensite para aços ao carbono e aços fracamente ligados
O aço escolhido para martempera deverá conter elementos de liga ou carbono suficiente para mover o nariz da curva TTT para a direita, para deste modo permitir um tempo suficiente de arrefecimento, para que as curvas de arrefecimento da peças não passem para além do nariz da curva TTT e desta forma não se formarem outros constituintes que não martensite. Os diagramas TTT para um aço hipoeutectoide (1034) e para um aço hipereutectoide (1090) são mostrados na figura 21. As curvas do diagrama de transformação para o aço 1090 são de forma mais simples, porque nenhum constituinte proeutectoide (ferrite livre ou carbonetos livres) é envolvido na transformação a temperaturas sobre o nariz da curva. A velocidade de transformação no nariz da curva reflete a dureza do aço : quando o nariz da curva TTT está mais à esquerda, os aços tem mais baixa dureza; quando o nariz da curva esta afastado para a direita, os aços tem dureza mais elevada. Para se alcançar uma máxima dureza, a curva de arrefecimento do aço tem que passar à esquerda do nariz para não intersectar os domínios perlítico e/ou bainitico. No entanto quanto mais à esquerda passar a curva de arrefecimento maior será a dureza obtida. Em produção corrente alguma perda de dureza é aceitável para se produzir baixas distorções na massa das peças. Um diagrama TTT para um aço fracamente ligado hipoeutectoide (5140) satisfatório para martempera é mostrado na figura 22. A presença do crómio neste aço causa a forma característica da curva do diagrama TTT perto dos 540ºC. A curva TTT de um aço com elevada dureza (4340) são também mostradas na figura 22 Nestas curvas é ilustrado o efeito combinado do níquel, crómio e molibdénio na dureza. Estes elementos originam um duplo nariz na curvas do diagrama TTT. O nariz que aparece a aproximadamente 485ºC é mais significativo na martempera do que o nariz que aparece a aproximadamente 650ºC. Aços com a dureza característica destes aços, bastante elevada, são facilmente martemperados, onde se conseguem estruturas completamente martensiticas [3] [6].
Figura 21 – Diagramas TTT dos aços 1034 e 1090
Figura 22 – Diagramas TTT dos aços 4340 e 5140
4.2.1 – Aços de baixo e médio teor de carbono A gama de aços que vai do 1008 até ao 1040 tem uma dureza bastante baixa para serem martemperados com sucesso, excepto se carburizados. A curva TTT do aço 1034, apresentadas na figura 21 é característica de um aço inadequado para ser martemperado excepto em secções com poucos milésimos de pulgada de espessura, seria então impossível arrefecer o aço em óleo quente ou em banho de sais sem que aparecem produtos de transformação de domínios superiores.
4.2.2 – Graus incertos Alguns aços ao carbono com alto teor de manganês, tal como o aço 1041, podem ser prosperamente martemperados quando as secções do material são finas. Aços fracamente ligados que tem limitada aplicação para o sucesso da martempera são listados abaixo. Normalmente os aços de baixo teor em carbono são carbonizados antes de sofrerem o tratamento térmico de martempera.
1330 a 1345 4520 4012 a 4042 5015 e 5046 4118 a 4137 6118 e 6120 4422 e 4427 8115
A maioria dos aços ligados que são apresentados em cima são satisfatórios para martêmperar em secções até 5/8 ou 3/4 in. No entanto a martempera abaixo de 210ºC melhorará a dureza, embora as distensões nas peças possa ser maior do que quando martemperados a temperaturas mais elevadas
4.2.3 – Efeito da massa A limitação da secção (espessura ) ou massa das peças deve ser considerada na mertêmpera. Como uma determinada severidade de arrefecimento, há um limite ao tamanho das peças cujo a homogeneização térmica da massa da peça ocorra tão rápido quanto o necessário para que a constituição da massa da peça seja exclusivamente martensítica tanto no centro como na periferia das peças. Na figura 23 é mostrado a comparação dos diâmetros máximos de vários tipos de aços, para que possam ser martêmperadas, peças com sucesso, em vários meios de arrefecimento (aço 1045 e cinco aços ligados de várias durezas).
Figura 23 - Comparação dos diâmetros máximos de vários tipos de aços, para que possam ser martêmperadas, peças com sucesso
Para algumas aplicações uma estrutura completamente martensítica é desnecessária e uma dureza na massa do centro de 10 Rockwell C unidades a menos que um determinado máximo alcançável para um aços com um determinado teor em carbono é aceitável. O máximo diâmetro da peça por este critério é de 25% a 300% maior que o diâmetro máximo a partir do qual pode ser feita martempera com total transformação da massa em martensite. O produto de transformação não martensiticos (perlite, ferrite e bainite) foram observados na massa da peça ao fim de arrefecidos, o que corresponde a uma redução do valor da dureza como se segue:
Aço Transformação
1045 15% perlite 8630 10% ferrite e bainite 1340 20% ferrite e bainite 52100 50% perlite e bainite
Figura 25 – Características físicas de dois tipos de banos usados em austempera
Adições de água ao banho de sais Adicionar ao banho água, pode causar sérias perturbações, dando origem a um salpicar do mesmo aquando da imersão das peças, não obstante se reconhecer que se trata de uma “aventura”, este procedimento é frequentemente necessário para aumentar a taxa de arrefecimento do banho de sais da austemperização e manter o conteúdo de humidade. Este procedimento pode ser acompanhado de vários métodos com completa segurança. 1 - a água pode ser adicionada a uma taxa moderada numa área do banho de sais vigorosamente agitado 2 - nas instalações em que a circulação do banho de sais é executada através de uma bomba, impedir os sais que são repelidos pela reacção através de um jacto controlado de água na zona originária dos mesmos, é o procedimento adequado. 3 - O banho da austemperização pode manter-se saturado com humidade, introduzindo um jacto de vapor directamente no banho, a linha de vapor deve ser barrada com equipamento de descarga para prevenir um esvaziamento da condensação directamente no banho. A água nunca deve ser adicionada ao banho a partir de um balde ou outro recipiente do género. 5.1.2 – Óleos para austêmpera É muito raramente usado na austemperização devido à sua instabilidade química às temperaturas a que se realiza este tratamento térmico, de que resulta uma mudança da sua viscosidade. Devido à persistente fase de vapor, torna-se num meio de arrefecimento mais lento do que o banho de sais a elevadas temperaturas, existindo mesmo o perigo de combustão.
5.2 - Aços para austemperização
A selecção do aço para austemperizar deve ser baseada nas características de transformação, com base nos diagramas TTT. Três considerações importantes são: a localização do nariz da curva e o tempo disponível para a contornar 1 - o tempo necessário para a completa transformação da austenite para bainite à temperatura de austêmpera 2 - a localização do ponto Ms. Como se encontra indicado na figura 26 o aço ao carbono 1080 possui características de transformação que lhe conferem capacidade limitada para ser sujeito a este tratamento térmico. O arrefecimento desde a temperatura do domínio austenítico até ao banho austemperizante deve ficar completo num intervalo de tempo próximo de 1 segundo para fugir ao nariz da curva TTT e assim prevenir a formação de perlite durante esse arrefecimento. Dependendo da temperatura, a transformação isotérmica no banho fica completa num intervalo de tempo compreendido entre alguns minutos e cerca de uma hora. Devido à elevada taxa de arrefecimento a austemperização de um aço com estas características é possível apenas para secções reduzidas [3] [6].
Figura 26-– Diagramas TTT dos aços 1080
O aço de baixa liga 5140 é apropriado para a austemperização, como podemos observar através da sua curva TTT apresentada na figura 22. Cerca de 2 segundos são permitidos após a passagem do nariz da curva e a transformação completa de bainite realiza-se num tempo compreendido entre 1 e 10 min. a cerca de 400ºC. Aços com características semelhantes a este
são apropriados para austemperização em secções superiores à do aço anterior, isto deve-se ao maior intervalo de tempo disponível depois de ultrapassado o nariz da curva TTT. Aços apropriados para a austemperização devem conter teores de carbono compreendidos entre 0,5 e 1%, ainda um mínimo de 0,6% de manganês (Mn) Aços com teor de carbono superiores a este devem conter teores em manganês (Mn) ligeiramente inferiores a 0,6%. Certos aços ao carbono contendo menos de 0,5% de carbono mas com teores de manganês (Mn) compreendidos entre 1,0 e 1,65%. Ainda aços considerados de baixa liga contendo menos de 0,3% de carbono. Muito embora alguns aços tenham teores em carbono ou elementos de liga suficientes para serem endurecidos após serem submetidos à acção de tratamentos térmicos, não se podem austemperizar, porque: 1 - a transformação no nariz da curva depois de 1 segundo torna-se virtualmente impossível de arrefecer algo que não uma secção particularmente pequena no banho de sais sem a formação de perlite. 2 - Requerem excessivos períodos de tempo para a transformação. 5.2.1 - Temperatura de austemperização A temperatura de austemperização (temperatura Ms.) dos aços, decresce com o aumento do teor em carbono, isto fica a dever-se a uma maior solução de carbono. O efeito directo dos elementos de liga na definição do ponto Ms., é menor do que o efeito do teor do carbono. Contudo elementos carburígenos, como o molibdénio e o vanádio, podem ligar o carbono na forma de carbonetos e assim prevenir a completa solução do carbono. A temperatura aproximada do ponto Ms. pode ser calculada através desta fórmula:
A temperatura de austenitização tem efeito significante no tempo em que a transformação começa. Como a temperatura de austenitização aumenta acima do norma, o nariz da curva desloca-se para a direita devido ao crescimento do grão. No entanto este tamanho de grão devido às altas temperaturas de austenitização, pode deteriorar irremediavelmente as propriedades mecânicas desejadas para o aço. No entanto se as experiências provarem que as vantagens adquiridas com este processo não afectam a harmonia do aço, acarretada com o crescimento do grão, estas temperaturas devem ser utilizadas.
5.3 – Limitação das secções das peças para austêmpera
A máxima espessura, é mais importante do que propriamente a massa da peça na determinação se uma peça pode ou não ser austemperizada. Peças com secção significativamente espessa, de um aço ao carbono, são regularmente austemperizadas na produção de peças em série, isto porque, a presença de alguma perlite na microestrutura é vulgar, e não prejudica as propriedades pretendidas para essas mesmas peças [3] [6].
5.4 - Aplicações
A austêmpera é usualmente substituída pelo arrefecimento lento ou pelo revenido, as duas razões seguintes podem explicar o porquê: a) para obter melhores propriedades mecânicas nomeadamente, maior dureza, maior ductilidade e melhor resistência à fadiga. b) para diminuir as probabilidades de rotura ou empenos, conforme o tipo de aço cada tipo de aço. Em alguns casos o uso da austêmpera é menos dispendioso do que o revenido ou o arrefecimento convencional. A austêmpera requer apenas dois passos de processamento, enquanto a austenitização e transformação isotérmica no banho austenitizante.
