Tratamento Térmico (L), Notas de estudo de Tecnologia Industrial

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Departamento Regional de São Paulo

TRATAMENTO TÉRMICO

ESCOLA SENAI “ALMIRANTE TAMANDARÉ”

CAI - MECÂNICO INDUSTRIAL

CAI - Mecânico Industrial

Tratamento Térmico

 SENAI-SP, 2003

Trabalho organizado pela Escola SENAI “Almirante Tamandaré”, a partir dos conteúdos extraídos da Intranet d o Departamento Regional do SENAI-SP.

1ª edição, 2003

Coordenação Geral Luiz Gonzaga de Sá Pinto

Equipe Responsável

Coordenação Celso Guimarães Pereira Estruturação Ilo da Silva Moreira Revisão Edmildo Aparecido Ramella Finco

SENAI - Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Regional de São Paulo Escola SENAI “Almirante Tamandaré” Av. Pereira Barreto, 456 CEP 09751-000 São Bernardo do Campo - SP Telefone: (011) 4122- FAX: (011) 4122-5877 (ramal 230) E-mail: [email protected]

Tratamentos térmicos dos aços

Introdução

Os tratamentos térmicos consistem de aquecimento, tempo de permanência a determinada temperatura e resfriamento.

A estrutura de aço estudada na unidade anterior, no diagrama Fe - C só é obtida se o resfriamento for bem lento. Se o resfriamento for mais rápido, obtêm-se outras estruturas que estudaremos nesta unidade.

Fatores que influenciam nos tratamentos térmicos

Velocidade de aquecimento

A velocidade de aquecimento deve ser adequada à composição e ao estado de tensões do aço.

Como tendência geral o aquecimento muito lento provoca um crescimento excessivo dos grãos tornando o aço frágil.

Entretanto, um aquecimento muito rápido em aços ligados ou em aços com tensões internas (provocadas por fundição, forjamento, etc.) poderá provocar deformações ou trincas.

Temperatura de aquecimento

A temperatura de aquecimento deverá ser adequada para que ocorram as modificações estruturais desejadas. Se ela for inferior a essa temperatura, as modificações estruturais não ocorrerão; se for superior, ocorrerá um crescimento dos grãos que tornará o aço frágil.

Tempo de permanência na mesma temperatura

O tempo de permanência na mesma temperatura deve ser o suficiente para que as peças se aqueçam de modo uniforme em toda a secção, e os átomos de carbono se solubilizem totalmente.

Se o tempo de permanência for além do necessário, pode haver indesejável crescimento dos grãos.

Resfriamento

As estruturas formadas no diagrama de equilíbrio Fe – C só vão se formar se o resfriamento for muito lento.

Diagrama Fe – C

Nos tratamentos térmicos, variando as velocidades de resfriamento, obtemos diferentes estruturas e com isso obtemos diferentes dureza, resistência a tração, fragilidade, etc.

Com o auxílio do diagrama de transformação isotérmica também chamado de curva T.T.T. (tempo, temperatura, transformação), poderemos entender melhor os fenômenos que ocorrem quando o aço é resfriado a diferentes velocidades de resfriamento.

Curvas de velocidade de resfriamento

A austenita E ferrita P perlita B bainita M martensita D dureza em HRC

Curva T.T.T.

A figura anterior mostra a curva T.T.T. do aço 43 MnCr6. Se esfriarmos esse aço lentamente, com a velocidade de esfriamento da curva V, obtém-se uma estrutura com 15% de ferrita e 85% de perlita, que terá uma dureza de 22 rockwell C.

Se aumentarmos a velocidade de resfriamento, obtém-se uma estrutura mais fina e com maior dureza (curva IV).

Se resfriarmos como na curva II, obtém-se a estrutura de bainita que é uma estrutura intermediária entre a martensita e a perlita, isto é, é cementita dispersa em ferrita.

Com a velocidade de resfriamento da curva I, obtém-se uma estrutura de 100% de martensita que terá uma dureza máxima para esse aço (61HRC). Essa velocidade é chamada de velocidade crítica.

Os meios de resfriamento são os responsáveis pelas diferentes velocidades de resfriamento. O quadro seguinte apresenta em ordem decrescente de velocidade alguns meios de resfriamento.

Meios de resfriamento Solução aquosa a 10% NaOH Solução aquosa a 10% NaCl Solução aquosa a 10% Na 2 CO (^3) Água 0 0 C Água a 18 0 C Água a 25 0 C Óleo Água a 50 0 C Tetracloreto de carbono Água a 75 0 C Água a 100 0 C Ar líquido Ar Vácuo

Os elementos de liga no aço, de uma forma geral, diminuem a velocidade crítica de resfriamento para a formação da martensita.

Recozimento total ou pleno

Consiste em aquecer o aço a mais ou menos 50 0 C acima da linha G – S – K e manter esta temperatura o tempo suficiente para que ocorra a solubilização do carbono e dos outros elementos de liga no ferro gama (austenita). Em seguida, deve-se fazer um resfriamento lento.

O resfriamento é feito dentro do próprio forno, controlando-se a velocidade de resfriamento.

Obtém-se desse recozimento uma estrutura de perlita grosseira que é a estrutura ideal para melhorar a usinabilidade dos aços de baixo e médio teor de carbono (0,2 a 0,6%); para aços com alto teor de carbono é preferível a estrutura de esferoidita que veremos no recozimento de esferoidização.

A figura seguinte mostra a curva T.T.T. do aço AISI 5140 com a curva de resfriamento do recozimento.

Curva T.T.T. de aço AISI 5140 com 0,43%C, 0,68%Mn e 0,93%Cr.

Recozimento de esferoidização

O recozimento de esferoidização objetiva transformar a rede de lâminas de cementita em carbonetos mais ou menos esféricos ou esferoiditas.

Esse tratamento melhora a usinabilidade e a ductilidade dos aços de alto teor de carbono.

Para ocorrer essa transformação, o aço deve ser aquecido a uma temperatura entre 680 0 C a 750 0 C, em função do teor de carbono.

Normalização

A normalização consiste em aquecer as peças 20 0 C a 30 0 C acima da temperatura de transformação (linha G – S – E) e resfriá-las mais rápido que no recozimento porém mais lento que na têmpera. O mais comum é um resfriamento ao ar.

Temperatura para normalização

O objetivo deste tratamento é obter uma granulação mais fina e uniforme dos cristais, eliminando as tensões internas.

A normalização é usada em aço, após a fundição, forjamento ou laminação e no ferro fundido após a fundição.

Têmpera dos aços

A têmpera é um tratamento térmico que executamos em um aço quando desejamos aumentar sua dureza e resistência mecânica. Conseguimos isso mudando a estrutura do aço (de ferrita + perlita) para uma estrutura martensítica.

A operação consiste basicamente em três etapas:

• Aquecimento
• Manutenção de uma determinada temperatura
• Resfriamento

• Aquecimento

O aço deve ser aquecido em torno de 50 0 C acima da zona crítica (linha G – S – K – figura ao lado) para que nos aços hipoeutetóides a perlita e a ferrita se transformem em austenita.

Temperatura de têmpera

Para os aços hipereutetóides, a temperatura pode ser mais baixa (± 50 0 C acima da linha S - K - figura acima). Nessa temperatura a perlita se transforma em austenita e a cementita já é um constituinte duro.

Manutenção da temperatura

É o tempo necessário para que toda a peça chegue a uma mesma temperatura e se solubilize totalmente o carbono.

Resfriamento

O resfriamento deve ser feito em um meio que possibilite uma velocidade crítica, permitindo obter a estrutura de martensita.

Esse meio pode ser: água, sal moura, óleo ou mesmo o próprio ar dependendo da velocidade de resfriamento que se precise.

Beneficiamento

Consiste em fazer uma têmpera, seguida de um revenimento a uma temperatura entre 450 0 a 650 0 C.

Os fabricantes de aço costumam fornecer diagramas semelhantes aos da figura seguinte de onde se escolhe a temperatura de revenimento em função das características mecânicas desejadas.

Efeito da temperatura de revenimento sobre a dureza e a resistência ao choque de um aço ABNT 1045

Alguns tipos de aços quando revenidos dentro de uma faixa de temperatura apresentam um aumento da fragilidade, medida em ensaio de resistência ao choque.

Essa faixa de temperatura deve ser evitada revenindo-se a uma temperatura mais baixa ou a uma temperatura mais alta seguida de um resfriamento rápido (água ou óleo).

Por exemplo:

Aços Cr - Ni (tipo SAE 3140 e semelhantes) quando revenidos na faixa de 455 0 C a 593 0 C ou se aquecidos acima desta temperatura e resfriados lentamente, apresentam baixa resistência ao choque. Entretanto se aquecidos, por exemplo, a 620 0 C e resfriados rapidamente, sua resistência ao choque será satisfatória. As causas deste fenômeno ainda estão sendo estudadas.

Atribui-se esse fato a uma possível precipitação de uma fase frágil dentro desta faixa de temperatura. Sabe-se que elevados teores de manganês, fósforo e cromo acentuam o fenômeno enquanto o molibdênio o retarda.

Tratamento térmico de aços ligados

Para a determinação das temperaturas deve-se sempre consultar as tabelas e diagramas do fornecedor.

Aço ABNT 4340 Composição % C Si Mn Cr Ni Mo

Diagrama de revenimento do aço ABNT 4340

A figura abaixo apresenta a curva T.T.T. do aço SAE D3 que apresenta forte tendência à retenção de austenita após a têmpera. Devido a essa tendência, recomenda-se resfriar o material a temperaturas de –70 a –80 0 C, logo após a têmpera, seguido de revenimento normal.

Curva T.T.T. aço SAE D3 – (Villares VC130) Composição 2,00%C, 12,00%Cr

A figura seguinte mostra a variação da dureza em função da temperatura usada para revenir.

Curva de revenimento para o aço SAE D3.

A experiência foi feita com corpos de prova quadrados com 20mm de lado, austenitizados a 960 0 C e revenidos na temperatura indicada por uma hora.

Têmpera superficial

Na têmpera superficial produz-se uma mudança da estrutura cristalina localizada apenas na superfície do aço, que adquire as propriedades e características típicas da estrutura martensítica.

Esse processo tem como objetivo aumentar consideravelmente a resistência ao desgaste na superfície e manter a tenacidade do núcleo.

Devem ser empregados aços de 0,3% a 0,6% de teor de carbono.

A têmpera superficial pode ser realizada por dois processos: chama e indução.

Têmpera por chama

O aquecimento da peça é feito por meio da incidência de uma chama oxiacetilênica na superfície da peça, a uma temperatura acima da zona crítica (723 0 C), atingindo uma camada predeterminada a endurecer; em seguida é feito um resfriamento por jateamento de água.

Existem vários métodos de aquecimento. As duas próximas figuras mostram os tipos de aquecimento para têmpera superficial: circular e linear.

Têmpera superficial circular Método combinado progressivo-giratório