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TRATAMENTOS TÉRMICOS DE AÇOS-FERRAMENTA
Introdução
Breve resenha histórica
Os aços-ferramenta são uma gama de aços extremamente antiga que constitui provavelmente a forma mais antiga de utilização dos metais ferrosos. A descoberta dos aços remonta a 1000 a.C., datando de então a constatação do efeito endurecedor assegurado não só pela absorção de carbono pelo ferro, mas também pela acção do aquecimento seguido de arrefecimento brusco (têmpera).
Cerca de 350 a.C. surge na Índia, e talvez ainda antes na China, o ferro de fusão: ferro extraído do minério por meio de fornos cujo funcionamento era semelhante ao dos actuais altos-fornos. O bloco esponjosos obtido era martelado para libertar as escórias sendo depois refundido em pequenos cadinhos que se deixavam arrefecer lentamente.
Os aços de Damasco eram já verdadeiros compósitos formados de camadas alternadas de aço duro e aço macio ligadas entre si por soldadura e forjagem.
Na Idade Média sofreu-se um retrocesso e fabricava-se de novo o aço aquecendo-se o ferro em contacto directo com materiais carbonados. O enriquecimento em carbono tinha lugar unicamente à superfície. Para se obterem materiais duros com um certo volume forjava-se em conjunto uma grande quantidade de pequenos bocados de aço enriquecido em carbono.
Só em meados do século XVII (1740) é que Huntsman redescobriu a fusão do aço. Fundindo num cadinho pequenos pedaços de ferro enriquecido em carbono obtém então um bloco de aço homogéneo e que endurece uniformemente.
No início do século XIX apareceu pela primeira vez a elaboração por mistura em cadinho, antes da fusão, de ferro materiais carbonados e, mais tarde, de guza. No entanto, só em 1820 é que Karsten mostrou que a diferença entre ferro, aço e guza(ferro fundido) residia no teor em carbono.
Em 1868 R. Mushet descobriu que a adição de tungsténio ao aço permitia endurecê-lo após aquecimento sem que houvesse necessidade de o temperar. Depressa se reconheceu que este tipo de aço resistia muito melhor ao desgaste e que, no caso das ferramentas de corte, mantinha o fio de corte mesmo depois de tempos de serviço mais longos. Foi, no entanto, necessário esperar mais vinte e cinco anos para se constatar que este aço (com uma composição aproximada de 2% C, 2,5% Mn e 7% W) tinha uma dureza a quente muito mais elevada e que suportava um aumento sensível das velocidades de corte. Tinha então surgido o primeiro aço rápido.
A ideia da adição de crómio ocorreu a Holtzer em 1878, mas muito havia ainda a fazer no domínio dos tratamentos térmicos. Julgava-se então que este aço não suportaria o aquecimento acima de 900 ºC; foi com as experiências de Taylor no final do século XIX que se descobriu que este aço ao crómio em vez de ver as suas propriedades degradarem-se a altas temperaturas, melhorava de tal modo as suas características que permitia atingir velocidades de corte consideradas muito elevadas para a época (10 m/min).
No início do século XIX Taylor e White recomendavam um aço com 1,85% C, 4% Cr e 8% W para logo a seguir aconselharem uma descida do teor em carbono para 0,7% acompanhada de um aumento do teor em tungsténio para 14%. Estava assim criada a base dos aços rápidos actuais.
Depois de 1900 os progressos efectuados no domínio dos aços rápidos estenderam-se a todos os aços-ferramenta. Em 1920, o número de qualidades disponíveis nos Estados Unidos era igual a 12 e a maior parte de entre elas continuam ainda hoje a ser fabricadas. É o caso particular dos aços de trabalho a quente contendo crómio ou tungsténio bem como dos aços de trabalho a frio contendo manganés, tungsténio, crómio e vanádio. No caso dos aços rápidos a dureza a quente aumentou significativamente através da adição de cobalto em quantidades que podem ir até cerca de 10%.
De entre as evoluções importantes por parte da composição química após a Primeira Guerra Mundial é de assinalar a introdução do molibdénio nos aços com 5% de crómio para satisfazer os problemas de temperabilidade e aparecimento dos aços grafíticos e dos aços com endurecimento estrutural para resolver problemas de maquinabilidade. É igualmente de salientar, durante este período, a utilização cada vez maior do molibdénio em substituição do tungsténio nos aços rápidos. Esta tendência que se acentuou no decurso da Segunda Guerra Mundial devido às dificuldades de aprovisionamento em tungsténio, foi facilitada pelos progressos entretanto alcançados no domínio dos tratamentos térmicos graças à generalização da utilização de banhos de sais.
Após 1950 os progressos realizados nos aços-ferramenta situam-se sobretudo ao nível das condições de elaboração e de transformação para afinar a estrutura dos produtos obtidos. Assinale-se igualmente a incorporação de enxofre para responder aos problemas de maquinagem, estado da superfície das ferramentas e a introdução das qualidades de aços rápidos ditos de alto carbono, com elevados teores em vanádio e cobalto.
O desenvolvimento rápido da mecanização e a diversificação dos meios empregues para transformar os diferentes materiais alargaram o domínio de aplicação dos aços-ferramenta o que levou os fabricantes de aços a criar um grande número de
qualidades para responder às solicitações industriais. Esta diversificação não sendo alheia à evolução tecnológica, fica também a dever-se ao facto de o aço-ferramenta ser usado num grande número de situações, desde as ferramentas manuais, até às ferramentas de trabalho a quente e às ferramentas de corte.
Na década de 70 identificavam-se as seguintes variedades de aços-ferramenta:
- 76 nos Estados Unidos (norma AISI),
- 82 na Alemanha (documento Werkstoffblätter),
- 87 em França (norma NF A 35-590).
O projecto da estrutura dos materiais
Para uma melhor compreensão da razão de ser das diferentes formas de processamento dos materiais haverá que tomar em consideração a seguinte relação:
ESTRUTURA ==> PROPRIEDADES ==> APLICAÇÕES É impossível no estado actual dos nossos conhecimentos prever teoricamente no seu conjunto a influência dos diferentes mecanismos estruturais sobre as propriedades dos materiais; não existem equações gerais de base. Haverá então que procurar pôr em evidência os conceitos e os modelos que possam servir de linha de orientação para conceber a estrutura do material que melhor se adapta a cada necessidade. Com o auxílio de certas equações poderá prever-se o sentido de variação de certas propriedades ou a sua ordem de grandeza, mas nunca o seu valor exacto (pelo menos no âmbito das situações de interesse industrial).
Algumas expressões matemáticas bem conhecidas permitem estabelecer relações entre os parâmetros estruturais e a resistência mecânica das ligas metálicas:
R (^) e = R (^) e (^) 0 + k (^) e ⋅ d −1 2 /
põe em evidência a importância do tamanho de grão sobre o limite de elasticidade R (^) e (sendo R (^) e0 o limite de elasticidade de um monocristal, k (^) e uma constante, d o diâmetro médio dos grãos):
- a lei de variação da temperatura de transição dúctil-frágil Tc em função do tamanho médio dos grãos d :
Tc = k − ⋅ d − β
1 2
em que k e β são constantes;
R R
b D r
D r b e =^ e +^ −
' α μ.^.^ ln 2
para as ligas endurecíveis por precipitação, em que R (^) e é o limite de elasticidade de uma liga cuja matriz metálica tem um limite de elasticidade tem um limite de elasticidade R (^) e ’ como resultado de um reforço com precipitados de diâmetro médio 2 r espaçados entre si de uma distância média D ; as deslocações têm um vector de Burgers b , μ é o módulo de corte e α é uma constante.
Por aqui se vê que os parâmetros estruturais mais relevantes, tendo em vista a maior resistência mecânica, são o tamanho de grão da matriz metálica e a dimensão e grau de dispersão dos precipitados.
Para aumentar o limite de elasticidade e a dureza haverá que dificultar a deformação plástica; sendo esta produzida por deslizamento das deslocações nos grãos, convém assegurar as condições que tornem mais difícil esse movimento das deslocações. O endurecimento pode, nesta perspectiva ser obtido:
- dificultando o movimento das deslocações através da criação de obstáculos que podem ser as próprias deslocações (aumentando a sua densidade, ou seja, por encruamento resultante da deformação plástica), precipitados (endurecimento por precipitação) ou limites de grão (aumentando a densidade de limites de grão por unidade de volume através da afinação do grão);
- estabilizando as deslocações ou repelindo-as através de campos de tensões residuais internas que podem resultar da presença de (i) átomos estranhos na rede do metal base (endurecimento por solução sólida), ou de (ii) defeitos cristalinos como as deslocações ou as falhas de empilhamento ou ainda (iii) como consequência da formação de uma nova fase (em que os factores determinantes poderão ser o grau de coerência precipitado / matriz, a diferença de volume mássico, ou a sobressaturação, como é o caso da transformação martensítica).
Resistência mecânica (^) − + + + − + − + − − + +
Dureza − + + + + +
Ductilidade / Alongamento + + + + − − −
Resiliência + + + − − − +
Tenacidade + + − − + − − + Fadiga (^) + + − + − + − − + +
Fluência (^) − + + − −
Utilização a baixas temperaturas
Resistência à oxidação a altas temperaturas
Resistência à corrosão e à oxidação
Propriedades eléctricas (isolante/condutor)
Propriedades magnéticas (^) + + + +
Propriedades térmicas
Densidade
Propriedades superficiais + + − + Estabilidade dimensional (^) + + − − +
Pelo que acima foi resumidamente exposto se constata a importância que assume o "projecto estrutural" de um material de modo a que este responda mais cabalmente às solicitações de serviço.
Tendo em conta as aplicações da família de aços-ferramenta podem listar-se várias propriedades relevantes para a eficácia do seu desempenho em serviço:
- dureza superficial elevada, normalmente acompanhada de exigência de alta tenacidade; nalguns casos pretende-se também que a dureza e a tenacidade subsistam ainda em elevado grau a temperaturas elevadas;
- variação dimensional o mais reduzida possível;
- boa maquinabilidade (normalmente por arranque de apara) e, em particular, a possibilidade de obtenção de acabamento superficial de elevado grau de perfeição.
Obtenção das diferentes estruturas por tratamentos térmicos
Princípios gerais dos tratamentos térmicos
O cumprimento adequado destas especificações, mesmo que isoladamente umas das outras, exige o conhecimento do tipo de estruturas que interessa obter e, consequentemente, das formas de processamento que as viabilizam. Este tipo de tarefa torna-se muitas vezes extremamente complexo se se tiver em conta que várias de entre estas exigências são em larga medida contraditórias entre si como é o caso da dureza e da tenacidade.
Os tratamentos térmicos constituem uma parte importante das técnicas de alteração estrutural dos aços em geral, e muito especialmente dos aços-ferramenta, tendo em vista a obtenção das propriedades que melhor se adequam às aplicações previstas.
Para tal haverá que começar por conhecer as transformações no estado sólido dos metais e ligas metálicas recorrendo aos chamados diagramas de fases ou diagramas de equilíbrio onde num referencial temperaturas - composições é possível localizar os domínios de existência (em equilíbrio termodinâmico) das diferentes formas estruturais do sistema em questão. Note-se que os diagramas de equilíbrio nãoo bastam para conhecer todas as possibilidades de transformação no estado sólido pois algumas de entre elas têm lugar fora das condições de equilíbrio.
Podem distinguir-se dois grandes grupos de transformações no estado sólido: (i) as transformações associadas a modificações da estrutura cristalina ou da estrutura atómica, como é o caso das
- transformações alotrópicas nos metais puros;
- transformações do tipo eutectoide ou peritectoide;
- precipitação de uma fase que se torna, a partir de uma certa temperatura, sobressaturada; ou redissolução de um precipitado;
- transformação ordem-desordem;
- transformação magnética correspondente a uma alteração da estrutura atómica, sem moddificação da estrutura cristalina; (ii) as transformações associadas a uma evolução progressiva da liga ou da sua morfologia sem alteração da estrutura cristalina, como sucede com
- a homogeneização de composição química,
- a relaxação ou alívio de tensões residuais,
- a diminuição da densidade de defeitos por recuperação e recristalização,
- a formação de uma textura (orientação preferencial),
- o crescimento de grão,
- a globulização de certos precipitados. Os mecanismos destas transformações que controlam a sua evolução são frequentemente sensíveis à micro-estrutura das fases presentes; o aparecimento, por exemplo, de uma nova fase no seio de outra ocorre preferencialmente nos limites de grão ou junto de outros defeitos como as deslocações ou as falhas de empilhamento; sucede também frequentemente que a nova fase se forma apresenta uma dada orientação cristalográfica bem definida com a fase-mãe.
Cada transformação depende de um mecanismo em que a temperatura a que se produz desempenha um papel fundamental. Várias transformações são activadas termicamente (difusão, crescimento de grão, coalescência de precipitados, etc.). Inversamente, um abaixamento muito rápido da temperatura pode inibi-las por completo: é o princípio das têmperas. Outras alterações estruturais, ditas atérmicas, têm uma cinética tal que o avanço da transformação só depende da variação da temperatura: os mecanismos em jogo não estão dependentes do factor agitação térmica.
Por outro lado, o mecanismo de certas transformações é tal que podem ser facilitadas pela aplicação de tensões ou de deformações plásticas, como é o caso das transformações martensíticas.
Os parâmetros que se podem manipular para a realização de tratamentos térmicos serão então os que condicionam a existência das diferentes fases de uma mesma liga, as transformações entre si e os mecanismos destas transformações. O papel da temperatura e do tempo de duração do tratamento está fortemente dependente dos seguintes aspectos:
- composição química global da liga,
- heterogeneidades químicas locais à escala da micro-estrutura,
- heterogeneidade química à escala das dimensões de uma peça (enriquecimento ou empobrecimento em certos elementos, ou macro-segregação),
- textura ou orientação preferencial,
- atmosfera ou meio de tratamento tendo em vista evitar ou favorecer modificações de composição superficial,
- relaxação das tensões residuais de têmpera sem evolução estrutural.
Sumário
Na exposição que se segue procurar-se-à pôr em evidência os aspectos de natureza estrutural que mais fortemente condicionam as propriedades dos aços-ferramenta e o seu posterior comportamento em serviço.
Comeca-se por uma abordagem muito genérica de aspectos que se prendem com a Metalurgia Física dos aços. A análise das transformações alotrópicas do Ferro terá como intenção a apresentação das diferentes estruturas cristalinas do elemento base das ligas ferrosas com especial ênfase para o problema da variação volúmica associada às transformações estruturais. Passar-se- à em seguida ao diagrama Fe-C (mais propriamente ao diagrama meta-estável Fe-Fe 3 C que é o que interessa ter em conta no estudo das transformações mais relevantes no domínio dos aços); este diagrama permitirá apresentar as diferentes formas micro-estruturais de equilíbrio (ou próximas do equilíbrio) possíveis de ser encontradas. As transformações em condições não de equilíbrio, tão importantes para a grande maioria dos tratamentos térmicos, serã tratadas de modo a conduzir à introdução dos diagramas TTT; a fechar este capítulo é feita uma breve descrição dos principais métodos de detrminação de diagramas TTT.
Na sequência desta abordagem dos aspectos de natureza micro-estrutural, passa-se a um capítulo sobre a temperabilidade dos aços. O conceito de temperabilidade será então definido e apresentar-se-ão os principais métodos de quantificação deste parâmetro. Analisar-se-à o efeito dos elementos de liga sobre a temperabilidade de modo a poder compreender o papel que a composição química desempenha relativamente à reacção dos aços aos tratamentos térmicos. A terminar este capítulo surge uma apresentação de modelos que permitem melhor compreender os factores mais determinantes nas diferentes transformações de fases, ao mesmo tempo que se ganha alguma capacidade de prever os resultados de certos tratamentos.
O terceiro e último capítulo diz respeito aos tratamentos térmicos mais frequentemente utilizados nos aços-ferramenta: recozimentos, têmpera e revenido. São depois apresentados os meios técnicos mais frequentemente utilizados em tratamentos térmicos para o aquecimento e arrefecimento; é também feita uma apresentação genérica dos aspectos mais relevantes sobre a transmissão de calor em tratamentos térmicos. Dada a importância de que se revestem são em seguida descritos os estados de tensões e de deformações bem como os mecanismos que estão na sua origem. Este capítulo termina com uma referência aos principais tipos de problemas em tratamentos térmicos de aços-ferramenta, com indicação das suas possíveis origens bem como das eventuais medidas preventivas e/ou correctivas.
