Baixe tratamento térmico e outras Notas de estudo em PDF para Química, somente na Docsity!
INTRODUÇÃO
Há muitos séculos atrás o homem descobriu que com aquecimento e resfriamento podia modificar as propriedades mecânicas de um aço, isto é, torná-los mais duro, mais mole, mais maleável, etc. Mais tarde, descobriu também que a rapidez com que o aço era resfriado e a quantidade de carbono que possuía influíam decisivamente nessas modificações. O processo de aquecer e resfriar um aço, visando modificar as sua propriedades, denomina-se TRATAMENTO TÉRMICO.
Os tratamentos térmicos são um conjunto de operações que têm por objetivo modificar as propriedades dos aços e de outros materiais através de um conjunto de operações que incluem o aquecimento e o resfriamento em condições controladas. Desta maneira conseguimos obter uma variada gama de propriedades que permitem que tenhamos materiais mais adequados para cada aplicação, sem que com isto os custos sejam muito aumentados. Como o aço é o material mais comumente utilizado em engenharia todo o enfoque dado aqui residirá sobre este tipo de material, embora os tratamentos térmicos aqui descritos possam ser aplicados a outros tipos.
DESENVOLVIMENTO
Os aços-ferramenta têm importante participação no mercado mundial de aços. São usados na indústria metal-mecânica como ferramentas de corte, moldes, punções, matrizes, etc. Devido ao uso de grande responsabilidade, é importante discutir a relação entre microestrutura e propriedades mecânicas, porque é uma prática comum na indústria especificar os tratamentos térmicos com base principalmente na dureza final do material, sem considerar que para um mesmo valor de dureza um aço-ferramenta pode apresentar diferenças nas propriedades mecânicas, dependendo do ciclo de tratamento térmico aplicado. Logo, esta seleção de tratamento térmico é um aspecto tecnológico relevante no desempenho de aços-ferramentas.
O objetivo deste trabalho foi avaliar o tratamento térmico, a microestrutura e as propriedades mecânicas, para determinar o tratamento térmico capaz de promover a melhor relação dureza-tenacidade. Deve-se observar uma série de fatores. Um erro de avaliação produz uma microestrutura diferente com propriedades não desejadas.
- Temperatura: Específica para o tratamento térmico que se deseja. Não deve ser excessivamente alta para não promover o crescimento de grão (queda da tenacidade).
- Tempo: As reações levam um tempo para ocorrerem. Deve haver a completa homogeneização da estrutura (austenitização). Não deve ser excessivamente longo para não ocorrer problemas.
- Velocidade de resfriamento: Erro na escolha pode produzir microestruturas diferentes que levam as diferentes propriedades mecânicas.
seção. Deve-se evitar tempo além do estritamente necessário para que isto ocorra, pois pode haver indesejável crescimento de grão, além da oxidação de determinadas ligas.
Resfriamento
Para certas ligas, modificando-se a velocidade do resfriamento ocorrem modificações estruturais que podem produzir grande ductilidade ou grande dureza e resistência mecânica. A escolha do meio de resfriamento é, portanto, fundamental no processo e depende essencialmente da estrutura final desejada. Entretanto, a forma da peça, no que se refere à existência ou não de grandes modificações dimensionais (como por exemplo, peças com seções muito finas), pode levar a escolha dos meios de resfriamento diferentes dos que teoricamente seriam mais recomendados.
Um meio muito drástico de resfriamento, como solução aquosa, pode levar o aparecimento de elevadas tensões internas que prejudicam a qualidade final do material, obrigando a seleção de um meio mais brando. Nem sempre este procedimento pode ser considerado como ideal, visto que impedirá que se realizem completamente as alterações estruturais necessárias. Nestas condições, deve-se procurar uma nova composição de liga que possa admitir um resfriamento mais brando e sem prejudicar a estrutura final. Como já vimos no diagrama de equilibro de ferro-carbono, o aumento do percentual do carbono na liga é o responsável pelo aumento da dureza do aço. Esse aumento do carbono se traduz pelo aumento da cementita na mistura. Com os tratamentos térmicos podemos modificar as formas de cristalização do aço e a disposição do carbono na liga, modificando, assim, a dureza do material. Os tratamentos que por simples aquecimento e resfriamento, modificam as propriedades de toda a massa do aço, tais como:
Esferoidização (coalescimento):
Realizado, principalmente, para aços hipereutetóides com o objetivo de aumentar a usinabilidade ou para aços hipoeutetóides para aumentar a capacidade de conformação a frio. Aços com baixo carbono são raramente esferoidizados para melhorar usinagem, porque estes ficam muito macios e “pastosos”, produzindo cavacos muito longos. Estes aços só serão esferoidizados quando uma severa deformação plástica a frio é necessária. A temperatura por um tempo que varia de oito a vinte horas, com resfriamento posterior ao ar.
Austenitizar o material, fazer um resfriamento até uma temperatura logo abaixo da temperatura eutetóide, mantendo-se na temperatura de 8h entre 20h. Este tratamento também pode ser efetuado variando-se ciclicamente entre temperaturas acima e abaixo da temperatura de austenitização.
A segunda forma de execução deste tratamento é a que propicia tempos menores de tratamento e pode ser facilmente entendida pela observação.
A microestutura resultante deste tratamento é a esferoidita, isto é, um fundo de ferrita com a cementita e os carbonetos dos elementos de liga em forma esferoidal dispersos nesta matriz.O fato de termos a cementita distribuída na matriz de ferrita faz com que o aço apresente uma ótima ductilidade e baixa resistência devido à predominância das propriedades da ferrita neste caso. O recozimento poderá não baixar a dureza o suficiente. Pelo menos duas maneiras de ser realizado:
- (^) Temperatura logo abaixo da T eutetóide por 8-20 horas com resfriamento ao ar.
- Austenitizar e colocar em uma temperatura logo abaixo da T eutetóide por 8-20 hora.
Fi gura - Curva de transformação para o processo de esferoidização.
conduz a tempos maiores do que os do recozimento convencional e este fator deve ser considerado quando o realizarmos. Como já foi citado anteriormente o recozimento visa a obtenção de perlita grosseira por ser esta a estrutura que propicia as propriedades desejadas
Aplicado normalmente, para aços hipoeutetóides, ou seja, para aços com menos de 0,5%C. Este tratamento diminui a resistência mecânica do aço e aumentar a ductilidade. Os aços são então recozidos para aumentar a capacidade de deformação a frio (ver Figura 5), bem como aumentar a usinabilidade (Lembrar do processo de estampagem do cartucho de bala).
Figura - Ciclos de deformação a frio e recozimento (cápsula para cartuchos).
Forma de execução - austenitização seguida por resfriamento lento até a temperatura ambiente (resfriamento ao forno). Este é chamado de recozimento pleno ou convencional.
Microestrutura final-perlita grosseira (baixa dureza).
Figura - Curva de resfriamento para o recozimento convencional.
O recozimento pleno é aplicado para peças de baixa e média temperabilidade!,para aços de alta temperabilidade, mesmo com o resfriamento lento (ao forno), outro produtos podem ser formados como perlita fina e até mesmo bainita. Para estes casos, usa-se o recozimento isotérmico.
Figura - Curva de transformação de um aço de alta temperabilidade no recozimento.
Normalização
Produz propriedades semelhantes ao recozimento, podendo ser usado adicionalmente para “normalizar” estruturas não homogêneas resultantes de processos de têmpera, conformação e fundição. Ocorre, porém, que a normalização é feita geralmente com resfriamento das peças ao ar. Isto conduz a uma velocidade de resfriamento mais alta do que aquela do recozimento, dando como resultado uma estrutura formada por perlita mais fina.
O resfriamento da temperatura de normalização é feito ao ar (ver Figura 6). Por incluir um resfriamento mais acelerado do que o recozimento, além de produzir uma perlita mais fina, irá produzir uma diminuição do tamanho de grão, que leva a um considerável aumento de tenacidade. Além da temperatura de austenitização, outro fator importante é a velocidade de resfriamento.
Esta deve ser tal que impeça a formação de qualquer outro produto que não seja a martensita. É obvio que isto nem sempre é possível pois outros fatores devem ser considerados mas, de qualquer forma, este é o objetivo que deve ser perseguido neste tratamento. Como existe variação na temperabilidade com a variação do teor de carbono e dos elementos de liga, também a velocidade de resfriamento varia.
Ela deve ser a menor possível para que tenhamos o menor empenamento possível das peças, mas não deve ser tão lenta que impeça a formação de martensita. Podemos notar que existem duas curvas, sendo uma relativa à superfície da peça e a outra relativa ao centro. O problema do resfriamento é um dos problemas mais complexos no caso deste processo. Se por um lado, quanto mais rápido for o resfriamento maiores serão as chances de obtermos martensita, por outro maiores serão também as chances de termos trincas e empenamentos na peça.
Os tratamentos de têmpera também podem apresentar diversas maneiras de serem efetuados. Temos a têmpera comum com pouco controle no resfriamento ou as têmperas mais elaboradas que por isso mesmo recebem os nomes de austêmpera ou martêmpera.A microestrutura que se deseja obter na têmpera comum é a martensita. Essa microestrutura apresenta elevada dureza, elevada resistência mecânica e elevada fragilidade. A têmpera comum causa um grau elevado de tensões internas podendo gerar trincas e empenos em peças mais delicadas. Outro resultado dessa têmpera é a perda de tenacidade.
Além disso, um resfriamento não homogêneo ao longo da superfície da peça pode também causar empenamento e variações na dureza. Como existe uma variação no volume da peça durante o aquecimento e o resfriamento e também devido à transformação da estrutura em martensita, quanto maior a diferença entre as velocidades de resfriamento na superfície e no centro ou em diferentes pontos da superfície maior será o empenamento e a possibilidade de aparecimento de trincas. Na figura podemos ver o comportamento do resfriamento relacionado puramente com o resfriamento em água de uma peça submetida a um aquecimento a alta temperatura.
Note-se que a velocidade de resfriamento inicialmente é baixa, tornando-se alta apenas para valores intermediários de temperatura da peça. Inicialmente temos um estágio em que se forma um envelope de vapor em volta da peça que impede a troca de calor da peça com o líquido, fazendo com que a velocidade seja baixa. Em um segundo estágio existe a formação de bolhas que entram em colapso rapidamente, permitindo que o fluido entre em contato com a peça e produzindo uma agitação bastante grande do fluido, o que faz com que a velocidade de resfriamento cresça rapidamente. Por fim em um terceiro estágio, a temperatura da peça não é mais suficiente para que haja a formação de bolhas e o resfriamento se dá apenas por convecção, fazendo com que a velocidade de resfriamento caia novamente.
Outro fato que ocorre freqüentemente em peças de formato complicado, como é o caso de uma engrenagem, de um eixo com rasgo de chaveta e de outras peças com variações no relevo, pode ocorrer a variação nas condições de resfriamento na superfície. Estas condições irão fazer com que a velocidade de resfriamento seja diferente em cada ponto, conduzindo também ao aparecimento de trincas, empenamentos ou mesmo pontos
moles. Outro problema que pode ocorrer, este mais freqüente e mais simples é aquele em que temos pequenas diferenças de velocidade de resfriamento entre a superfície e o centro. Neste caso o que pode acontecer é a formação de 100% de martensita na periferia da peça e um teor menor de martensita juntamente com bainita e/ou perlita nas regiões mais centrais.
O que acontece é um decréscimo na dureza em direção ao centro da peça, situação esta que nem sempre pode ser evitada. Esta situação pode ser induzida pelo meio de resfriamento ou pelo tamanho da peça. De acordo com o que foi acima exposto o meio de resfriamento mais adequado é aquele que permite obtermos a maior quantidade possível de martensita na peça. Assim sendo poderemos ter que resfriar a peça em salmoura, em água ou mesmo em óleo e outros produtos sintéticos, estes últimos para aços de construção mecânica ligados.
Para aços de alta temperabilidade como aços para matrizes e ferramentas pode-se utilizar até mesmo o resfriamento ao ar em alguns casos. Quanto maior a temperabilidade menos drástico terá que ser o meio de resfriamento utilizado. Outro problema associado com o resfriamento para a obtenção de martensita é a variação de volume. Sempre que temos transformação martensítica teremos uma variação de volume e esta terá efeitos mais importantes quanto maior for a diferença de temperaturas de um ponto para outro.
No gráfico está representada a variação de volume de um aço quando este é aquecido até o campo austenítico e após resfriado rapidamente para que se obtenha martensita. A diferença de volume entre a estrutura original e a estrutura final martensítica pode conduzir a empenamentos e até mesmo a trincas se as tensões surgidas como conseqüência da variação de volume ultrapassarem o limite de ruptura do material.
Quando temos diferenças de velocidade de resfriamento da periferia para o centro, por exemplo, forma-se uma capa de martensita que é dura e frágil e que ao aumentar de volume comprime o núcleo. Quando o núcleo por sua vez se transforma, este expande e provoca o aparecimento de tensões sobre a capa externa endurecida, podendo produzir trincas na peça.
- Expansão de volume devido a formação da martensita (metal se expande durante o resfriamento entre Ms e Mf).
Uma das tensões realizadas é a Tempêra, como mostra a figura abaixo:
Contração -
austenita martensita
Ms Mf 700 500 300 100 ºC FIGURA 8
Na formação da martensita ocorrem duas variações dimensionais básicas:
- contração térmica devido ao resfriamento
- expansão do metal devido martensita
As alterações volumétricas podem produzir tensões residuais muito elevadas.Se essas tensões residuais forem muito elevadas:
Produzem deformação plástica (empenamento) Trincas de têmpera (*)
Configuração das macroscópicas depende:
- Características de transformação determinadas por sua composição e temperabilidade
- (^) Características de transferência de calor determinada pela geometria, temperatura de austenitização e severidade de têmpera.
Ex: Têmpera de amostras cilíndricas:
No resfriamento: superfície sofre primeiro a transformação martensítica superior endurece em relação ao núcleo.
Se expansão decorrente da transformação martensítica > contração térmica superfície em tração e núcleo em compressão
FIG 9
Se expansão decorrente da transformação martensítica < contração térmica superfície em compressão e núcleo em tração
FIG 10 -
zero. Por isso devemos conhecer essas curvas do aço que queremos temperar para que possamos utilizar o tipo de têmpera mais adequado. Quando a curva do resfriamento, devido à sua pouca velocidade corta as curvas “1 “ e “2 “ no seu ponto alto obtemos uma microestrutura no material formada por perlita grosseira (recozimento). Quando a velocidade de resfriamento é um pouco maior temos como microestrutura, no material, a perlita fina (normalização). Quando essa velocidade é muito grande e não corta as curvas temos a formação de martensita (têmpera comum).
FIGURA 12 Variação da tenacidade e da dureza de têmpera e revenido (Leslie)
- Os tratamentos que modificam as propriedades somente numa fina camada superficial da peça, tratamentos térmicos no qual a peça é aquecida juntamente com produtos químicos e posteriormente resfriado são:
Cementação
É certamente o método mais antigo para endurecimento superficial de aços. Dados históricos revelam que tem sido usado desde a época do Império Romano. Basicamente, o processo consiste em aumentar o teor de carbono de uma fina camada na superfície da peça e posterior tratamento de têmpera e revenido.
Fig 13
Assim, se o aço é de baixo carbono, apenas a camada superficial é endurecida e o interior mantém as características de ductilidade e tenacidade. Isso proporciona uma combinação das propriedades desejáveis de resistência ao desgaste e estabilidade estrutural. A difusão é proporcionada pelo carbono fornecido por algum meio, em temperaturas nas quais ela possa ocorrer. Normalmente na faixa da austenita, de 840 a 1000ºC.
A espessura da camada cementada varia com a temperatura e o tempo de tratamento. O gráfico da Figura 01 dá exemplo aproximado de duas curvas típicas. Em geral, a profundidade máxima usada está perto de 1,2 mm e o teor de carbono na superfície está na faixa de 0,8 a 1,0%.
Fig 14
Cementação sólida a peça é envolvida em uma mistura de carvão vegetal granulado e reagentes. Um meio adequado, como uma caixa, mantém o conjunto que recebe aquecimento conforme ilustração da Figura 10. Um reagente usual é o carbonato de bário, que se decompõe e libera o dióxido de carbono:
BaCO3 → BaO + CO2.
Há também formação a partir do carvão: C + O2 → CO2. E o dióxido reage com o carbono,
desgaste em camadas centesimais de espessura. O tratamento de nitretação oferece alta resistência ao desgaste e a corrosão, baixo coeficiente de atrito e alta resistência. Ideal para condições de pouca lubricação se temperar a peça.
Neste método, nitrogênio é difundido na camada superficial em temperaturas abaixo da formação da austenita, em geral na faixa de 495 a 575ºC. O resultado é a formação de nitretos complexos de alta dureza pela combinação do nitrogênio com elementos de liga do aço.
Fig 15
A nitretação gasosa é a forma mais comum do processo. A Figura 01 deste tópico dá um esquema simplificado.Na temperatura do processo, a amônia é dissociada conforme reação
2 NH3 → 2 N + 3 H2.
O nitrogênio se difunde na superfície das peças e o hidrogênio é exaurido pela saída de gás. A camada de nitretos apresenta dureza maior que a dos aços para ferramentas e aços cementados. Os mais usados para nitretação são aços-liga contendo cromo e molibdênio.
Fig 16
Valores típicos de dureza estão na faixa de 55 a 70 HRC em camadas de 0,15 a 0, mm. Além do aumento da dureza e, por conseqüência, da resistência ao desgaste, as peças submetidas à nitretação apresentam melhoras das resistências à corrosão e à fadiga. Esta última ocorre em razão das tensões residuais de compressão da camada. Devido à menor temperatura, as peças têm menos deformação que as cementadas. Não há necessidade de tratamento térmico posterior. Há formação de uma fina camada branca na
superfície, que deve ser removida em aplicações críticas. A nitretação em dois estágios pode impedir a formação dessa camada. A nitretação a gás é, entretanto, um processo lento. O gráfico da Figura 02 dá um exemplo típico de profundidade da camada versus tempo. Tempos usuais na prática variam de 48 a 72 h.
Nitretação líquida: Usa sal fundido de forma similar à cementação líquida vista em tópico anterior. Devido à menor temperatura, a difusão do nitrogênio é predominante. Uma mistura típica de sais para essa finalidade é cianeto de sódio com pequenas proporções de carbonato de sódio e cianato de sódio. Naturalmente, problemas de segurança e de ambiente estão presentes, como na cementação líquida.
Carbo-nitretação: consiste em difundir simultaneamente carbono e nitrogênio na superfície do aço. São usados gases da cementação gasosa (propano, gás do gerador) e amônia em temperaturas na faixa de 760 a 870ºC. Normalmente, há necessidade de têmpera posterior. A dureza obtida não é tão alta quando à da nitretação. Valores comuns são de 60 a 65 HRC em camadas de 0,1 a 0,8 mm. Uma vantagem é a possibilidade do uso de aços- carbono ou aços-liga com baixos teores de liga. A deformação das peças é menor que a da cementação.
Carbonitretação
A carbonitretação é também chamada de “cianetação a gás” ou“nitrocarbonetação” e consiste em submeter-se o aço a uma temperatura elevada geralmente acima da de transformação numa atmosfera gasosa que pode fornecer carbono e nitrogênio simultaneamente, os quais são, absorvidos pela superfície do metal. De fato, a carbonitretação é um processo de cementação a gás modificado. Os constituintes da atmosfera utilizada na carbonitretação são os seguintes:
gás endotérmico, produzindo pela decomposição em gerador endotérmico de gás natural ou outro hidrocarboneto e que é essencialmente constituído de uma mistura de nitrogênio, hidrogênio e CO, com traços de metano, oxigênio, vapor de água e CO 2 ; gás natural, propano ou butano; amônia.
