aula 5 - tratamento térmico e termoquímico dos metais
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Disciplina:
Tecnologia Mecânica
Tratamentos Térmicos e Termoquímicos
dos metais
Tecnologia Mecânica - Tratamentos Térmicos e
Termoquímicos dos metais
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.
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Termoquímicos dos metais
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 Tratamentos
Térmicos.
Tecnologia Mecânica - Tratamentos Térmicos e
Termoquímicos dos metais
Os tratamentos térmicos empregados em metais ou
ligas metálicas, são definidos como qualquer conjunto de
operações de aquecimento e resfriamento, sob condições
controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade
de resfriamento, com o objetivo de alterar suas propriedades
ou conferir-lhes características pré-determinadas.
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Termoquímicos dos metais
Os principais objetivos dos tratamentos térmicos dos
aços envolvem:
• Remoção de tensões residuais decorrentes de processos
mecânicos de conformação ou térmicos ;
• Refino da microestrutura (diminuição do tamanho de grão) ;
• Aumento ou diminuição de dureza ;
• Aumento ou diminuição da resistência mecânica ;
• Aumento da ductilidade;
• Melhoria da usinabilidade;
• Aumento da resistência ao desgaste;
• Melhoria da resistência a corrosão.
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Um tratamento térmico é feito em três fases distintas:
1 - Aquecimento
2 - Manutenção da temperatura
3 - Resfriamento
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Aquecimento
De maneira geral os tratamentos térmicos dos aços são
realizados em temperaturas dentro do campo austenítico,
visando-se a completa austenização do aço.
As velocidades de aquecimento máximas dependem da
condutividade térmica do aço, do tamanho e da forma do
componente. Velocidades de aquecimento muito elevadas
podem causar distorções ou, até mesmo, trincas, porém, em
alguns casos, velocidades muito baixas de aquecimento pode
causar crescimento de grão (ex: aços fortemente encruados).
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Manutenção da temperatura
O tempo de permanência na temperatura de
tratamento é a soma do tempo para a homogeneização da
temperatura no componente e o tempo da transformação de
fase. Períodos superiores ao descrito, provocam o
crescimento do tamanho de grão.
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Resfriamento
É o fator mais importante do ciclo térmico pois
determina a microestrutura final obtida no tratamento térmico.
O meio de resfriamento é decisivo no processo, podendo ser
Água, jato de Ar, óleo, etc.
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Tratamentos térmicos
Os tratamentos térmicos abordados serão:
• Alívio de tensões
• Recozimento
• Normalização
• Têmpera
• Revenimento
• Austêmpera
• Martempêra
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Diagrama TTT (Tempo, Temperatura e Transformação)
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ALÍVIO DE TENSÕES:
Tensões residuais internas podem se desenvolver em peças
metálicas devido a:
(1) Processos de deformação plástica, tais como usinagem
e lixamento;
(2) Resfriamento não uniforme de uma peça que foi
processada ou fabricada a uma temperatura elevada, tal
como na soldagem ou na fundição;
(3) Uma transformação de fases induzida por um
resfriamento onde as fases originais e produto
apresentam massas específicas diferentes.
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Distorção e empenamento podem resultar se essas
tensões residuais não forem removidas.
Elas podem ser eliminadas por um tratamento térmico
de recozimento para o alívio de tensões, em que a peça é
aquecida até a temperatura recomendada, mantida nessa
temperatura tempo suficiente para que uma temperatura
uniforme seja atingida e finalmente resfriada ao ar até a
temperatura ambiente.
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Alívio de Tensões (Recuperação/Recovery)
ALÍVIO DE TENSÕES
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RECOZIMENTO
Refere-se a um tratamento térmico no qual o material é
exposto a uma temperatura elevada durante um período de
tempo prolongado e então é resfriado lentamente.
Normamente, o recozimento é realizado para:
(1) Aliviar tensões;
(2) Reduzir a dureza e aumentar a ductilidade e a tenacidade;
e/ou
(3) Produzir uma microestrutura específica.
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Diversos tratamentos são possíveis; esses
tratamentos são caracterizados pelas mudanças que são
induzidas, as quais muitas vezes são microestruturais e são
responsáveis pela alteração das propriedades mecânicas.
Qualquer processo de recozimento consistem em 3 estágios:
(1) Aquecimento até a temperatura desejada;
(2) Manutenção ou “encharque” naquela temperatura;
(3) Resfriamento, geralmente até a temperatura ambiente.
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Recozimento (Crescimento de Grão/ Grain Growth)
RECOZIMENTO
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NORMALIZAÇÃO
Tratamento térmico de recozimento aplicado para
refinar os grãos (diminuir o tamanha médio do grão) e
produzir uma distribuição de tamanhos mais uniformes e
desejável; os aços perlíticos com grãos mais finos são mais
tenazes que os grãos mais grosseiros.
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Temperatura crítica superior
Para composição < 0,76%p C
A normalização é obtida pelo aquecimento até pelo
menos 55ºC acima da temperatura crítica superior – acima de
A3 para composições menores que a eutetoide (0,76%p C) e
acima de Acm para composições maiores que a eutetoide.
Temperatura crítica superior
Para composição > 0,76%p C
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Normalização (Recristalização/ Recrystallization)
NORMALIZAÇÃO
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TÊMPERA
Tem como objetivo o aumento da dureza, da
resistência mecânica (limites de escoamento e resistência) e
da resistência ao desgaste. Entretanto, a ductilidade e a
tenacidade dos aços temperados é nula.
Consiste no resfriamento rápido do aço de uma
temperatura superior à sua temperatura crítica ( mais ou 50ºC
acima da linha A1 os hipereutetóides) em um meio como óleo,
água, salmoura ou mesmo ar ).A velocidade de resfriamento,
nessas condições, dependerá do tipo de aço, da forma e das
dimensões das peças.
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Como na têmpera o constituinte final desejado é a
martensita, o objetivo dessa operação, sob o ponto de vista
de propriedades mecânicas, é o aumento da dureza deve
verificar-se até uma determinada profundidade.
Resultam também da têmpera redução da ductilidade
(baixos valores de alongamento e estricção), da tenacidade e
o aparecimento de apreciáveis tensões internas. Tais
inconvenientes são atenuados ou eliminados pelo revenido.
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Para que a têmpera seja bem sucedida vários fatores
devem ser levados em conta.
Inicialmente, a velocidade de resfriamento deve ser tal
que impeça a transformação da austenita nas temperaturas
mais elevadas, em qualquer parte da peça que se deseja
endurecer.
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TÊMPERA
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REVENIMENTO
O revenido é o tratamento térmico que normalmente
sempre acompanha a têmpera, pois elimina a maioria dos
inconvenientes produzidos por esta; além de aliviar ou
remover as tensões internas, corrige as excessivas dureza e
fragilidade do material, aumentando sua ductibilidade e
resistência ao choque.
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O aquecimento na martensita permite a reversão do
reticulado instável ao reticulado estável cúbico centrado, produz
reajustamento internos que aliviam as tensões e, além disso,
uma precipitação de partículas de carbonetos que cresce e se
aglomeram de acordo com a temperatura e o tempo.
As variáveis que afetam a microestrutura e propriedades
mecânicas dos aços temperados são:
• Temperatura de revenimento ;
• ƒTempo na temperatura de revenimento;
• Velocidade de resfriamento após o revenimento ;
• Composição do aço, incluindo teor de C, elementos de liga e
impurezas.
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AUSTÊMPERA
Este tratamento tem substituído, em diversas
aplicações, a têmpera e o revenido. Baseia-se no
conhecimento das curvas em C e aproveita as transformações
da austenita que podem ocorrer a temperatura constante. Por
esse motivo a austenita é considerada um tratamento
isotérmico .
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Objetivos:
• ƒ aumento da ductilidade
• ƒ aumento de dureza associada à tenacidade
• ƒ aumento da resistência ao impacto
• ƒ reduz a ocorrência de trincas
• ƒ melhora estabilidade dimensional
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Microestrutura obtida:
• bainita superior para tratamentos a temperaturas mais altas
(dureza entre 40 a 45 HRC);
• ƒbainita inferior para tratamentos a temperaturas mais baixas
(dureza entre 50 a 60 HRC);
• Estrutura intermediária a martensita e a perlita, em termos de
propriedades mecânicas, excelente elasticidade e resistência
mecânica, utilizados em molas, cordas de instrumentos
musicais, cabos, etc.
Resfriamento: banho de sal fundido mantido em temperatura
controlada. A temperatura do sal determina a microestrutura e,
consequentemente, a dureza da bainita.
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MARTÊMPERA
É esse tratamento usado principalmente para diminuir a
distorção ou empenamento que produz durante o resfriamento
rápido de peças de aço.
Objetivo:
• aumento de dureza por meio da microestrutura martensítica
• menor nível de tensões internas em relação à têmpera
convencional, e conseqüentemente, maior estabilidade
dimensional sobre os lotes e menor perda de peças por
trincas e/ou distorções dimensionais .
• custo mais elevado que a têmpera convencional, devido ao
emprego de fornos do tipo banho de sal.
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Microestrutura obtida:
• Martensita (idêntica à obtida na têmpera convencional)
• Após operação de revenimento: Martensita revenida.
Obviamente com o aumento da temperatura de
revenimento, a martensita revenida tem sua dureza
diminuída e sua tenacidade aumentada.
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Compreende a seguinte sequência de operações:
a) aquecimento a uma temperatura dentro da faixa de
austenização;
b) resfriamento em óleo quente ou sal fundido mantido a uma
temperatura correspondente parte superior (ou ligeiramente
acima) da faixa martensítica;
c) manutenção no meio de resfriamento até que a temperatura
através de toda a seção do aço se torne uniforme;
d) resfriamento ( geralmente no ar ) a velocidade moderada, de
modo a prevenir qualquer grande diferença de temperatura
entre a parte externa e a parte interna da seção.
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Tratamentos termoquímicos
Os tratamentos termoquímicos abordados serão:
•Cementação;
•Nitretação.
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CEMENTAÇÃO
Tratamento termoquímico que Consiste na introdução
de carbono na superfície do aço tal que após têmpera a peça
tratada apresenta superfície dura.
Consiste no aquecimento e manutenção do material a
altas temperaturas, em atmosfera rica em carbono (meio
sólido, líquido ou gasoso), ocorrendo a difusão do carbono da
superfície para o centro da peça
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Materiais para cementação:
• Aços com teor de carbono até 0,2%, podendo o material
possuir na sua composição Mn, Al, V, Si, Ni e Cr (esses
últimos com a finalidade de facilitar a têmpera)
• Nos aços ligados os elementos comuns são: Ni(0,5 - 3,5%),
Cr(0,4 - 1,4%), Mo(0,1 – 0,3%). Aços contendo (0,1 - 0,3%
S) MnS elevada usinabilidade.
• Temperatura de tratamento– Entre 850°C e 1000°C
• Aplicações: engrenagens, buchas, eixos e peças que como
estas necessitem de elevada resistência ao desgaste e
tenacidade. Peças com superfície dura e resistente ao
desgaste com núcleo dúctil de elevada tenacidade são
obtidas.
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Profundidade de cementação varia com a temperatura
de tratamento e o tempo de permanência a essa temperatura
entre 0,01 até no máximo 3,0mm.
O controle da profundidade é em geral realizado com
corpos de prova colocados junto às peças (de mesmo
material das mesmas), que são retirados de tempos em
tempos para confirmação.
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NITRETAÇÃO
• Objetiva o endurecimento superficial de aços por absorção
de nitrogênio (formação de Nitretos )
• É realizado em fornos com atmosfera controlada, rica em
Nitrogênio (em geral NH3))
• Realizado abaixo da temperatura austenítica
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Vantagens
• A temperatura de tratamento é inferior à da cementação
• As peças apresentam-se nas dimensões e acabamento
finais
• Resistência à corrosão
• Alta dureza
Desvantagens
• O tempo de permanência é grande
• A espessura da camada Nitretada é muito pequena
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NITRETAÇÃO
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Aços para nitretação
• São utilizados aços com teores de carbono entre 0,13 e
0,40%, podendo ter adições de alumínio, cromo, silício,
tungstênio e vanádio.
Controle da camada Nitretada
• Semelhante ao controle de camada cementada