UFP 3.01 Faculdade SENAI de Tecnologia Flix Guisard

Superior em Tecnologia de Fabricao Mecnica

RELATRIO CIENTFICO

PROCEDIMENTO PARA TRATAMENTO TRMICO EM AO 1050

Rony Anderson da Silva

Taubat SP Agosto de 2012

UFP 3.01 Faculdade SENAI de Tecnologia Flix Guisard

Superior em Tecnologia de Fabricao Mecnica

RELATRIO CIENTFICO

PROCEDIMENTO PARA TRATAMENTO TRMICO EM AO 1050

Sumrio

41Introduo

41.1Ao Carbono

51.2.1Tmpera

51.2.1 Tmpera superficial:

51.2.2 Tmpera por chama:

61.2.3 Tmpera por induo:

61.2.4 Resfriamento

81.3Revenido

102Objetivo

113Metodologia Experimental

113.1Analise da amostra antes dos tratamentos trmicos

133.2Tratamentos Trmicos

133.2.1Tempera corpo de prova (cdp) A

143.2.2Tempera corpo de prova (cdp) B

153.3Revenimento

163.4Anlises do cdp aps o tratamento trmico

174Concluso

185Referncias Bibliogrficas

196Apendice 1 Tabela de Referncia

1 IntroduoEm diversas aplicaes os materiais fornecidos por processos de produo convencionais possuem caractersticas inadequadas que podem influenciar negativamente o seu desempenho e at mesmo compromet-lo. Empenamentos, tenses internas e estruturas indesejadas surgem com frequncia e afetam as propriedades do material. Para solucionar esses problemas alguns tratamentos trmicos podem ser empregados, envolvendo aquecimento e resfriamento subsequente, dentro de condies controladas de temperatura, tempo, ambiente de aquecimento e velocidade de resfriamento. Na maioria dos casos os tratamentos trmicos so aplicados a ligas Fe-C, em especial aos aos.

Com 0,5% de carbono em sua composio, o ao SAE 1050 classificado como ao de mdio teor de carbono com boas propriedades mecnicas e tenacidade bem como boas usinabilidade e soldabilidade quando laminado a quente ou normalizado. As suas aplicaes compreendem eixos, peas forjadas, engrenagens comuns, componentes estruturais e de mquinas, virabrequim, entre outros.1.1 Ao CarbonoSistemas de classificao dos aos dada a grande variedade de tipos de aos, foram criados sistemas para sua classificao, os quais periodicamente so submetidos a revises.

Os aos podem ser classificados em grupos, em base de propriedades comuns:

a- Composio, como aos-carbono e aos-liga;b- Processo de acabamento, com aos laminados a quente ou aos laminados a frio;c- Forma do produto acabado, como barras, chapas grossas, chapas finas, tiras, tubos ou perfis estruturais.

H ulteriores subdivises desses grupos, como aos-carbono de baixo, mdio ou alto teor de carbono. Os aos-liga so frequentemente classificados de acordo com o principal ou principais elementos de liga presentes.

Uma das classificaes mais generalizadas e que, inclusive, serviu de base para o sistema adotado no Brasil a que considera a composio qumica dos aos e, dentre os sitemas conhecidos, so muito usados os da American Iron and Steel Institute AISI e da Society of Automotive Engineers SAE.1.2.1 Tmpera

Consiste no resfriamento rpido do ao de uma temperatura superior sua temperatura crtica (temperatura de austenizao) em um meio como leo, gua, salmoura ou mesmo ar .Como na tmpera o constituinte final desejado a martensita, o objetivo, o objetivo dessa operao, sob o ponto de vista de propriedades mecnicas, o aumento da dureza deve verificar-se at uma determinada profundidade.Resultam tambm da tmpera reduo da ductilidade (baixos valores de alongamento e estrico), da tenacidade e o aparecimento de apreciveis tenses internas. Tais inconvenientes so atenuados ou eliminados pelo revenido. Os tipos de tmpera so:

1.2.1 Tmpera superficial: aplicada peas de mquinas, e mais conveniente que seu endurecimento total pela tmpera normal,visto que,nessas aplicaes,se objetiva apenas a criao de uma superfcie dura e de grande resistncia ao desgaste e abraso.1.2.2 Tmpera por chama: Neste processo, aquece-se rapidamente, acima da temperatura crtica, a superfcie a ser endurecida do ao, por intermdio de uma chama de oxiacetileno. Normalmente, o meio de resfriamento a gua temperatura ambiente, ou, eventualmente, quando se deseja uma tmpera menos severa, ar.1.2.3 Tmpera por induo:

O calor para aquecer a pea pode ser gerado na prpria pea por induo eletromagntica. O controle da profundidade de aquecimento seguido julgando-se as variveis: forma da bobina, espao entre a bobina de induo e a pea, taxa de alimentao de fora, frequncia e tempo de aquecimento.Se por um lado o tratamento de tmpera nos d condies de produzirmos um grande aumento na resistncia mecnica e na dureza, a um custo relativamente baixo, por outro existe uma maior complexidade na sua execuo. Isto se deve grande variao na composio dos aos e, por conseqncia, na sua temperabilidade. O carbono e os elementos de liga exercem um papel preponderante com relao a este tratamento, j que tanto influem na temperatura de austenitizao quanto na velocidade de resfriamento. Assim, a temperatura de austenitizao varia de ao para ao, como conseqncia da variao no teor de carbono e dos elementos de liga, pois os carbonetos formados devem ser dissolvidos pelo menos em parte para que tenhamos o efeito desejado na temperabilidade. No basta portanto austenitizarmos o ao para termos sucesso no tratamento, mas preciso que tenhamos tambm parte dos elementos de liga dissolvidos na austenita. Alm da temperatura de austenitizao, outro fator importante a velocidade de resfriamento. Esta deve ser tal que impea a formao de qualquer outro produto que no seja a martensita. obvio que isto nem sempre possvel pois outros fatores devem ser considerados mas, de qualquer forma, este o objetivo que deve ser perseguido neste tratamento. Como existe variao na temperabilidade com a variao do teor de carbono e dos elementos de liga, tambm a velocidade de resfriamento varia. Ela deve ser a menor possvel para que tenhamos o menor empenamento possvel das peas mas, no deve ser to lenta que impea a formao de martensita. Podemos notar que existem duas

1.2.4 Resfriamento

O resfriamento uma dos passos mais complexos no caso deste processo. Se por um lado, quanto mais rpido for o resfriamento maiores sero as chances de obtermos martensita, por outro maiores sero tambm as chances de termos trincas e empenamentos na pea. Alm disso, um resfriamento no homogneo ao longo da superfcie da pea pode tambm causar empenamento e variaes na dureza. Como existe uma variao no volume da pea durante o aquecimento e o resfriamento e tambm devido transformao da estrutura em martensita, quanto maior a diferena entre as velocidades de resfriamento na superfcie e no centro ou em diferentes pontos da superfcie maior ser o empenamento e a possibilidade de aparecimento de trincas. Note-se que a velocidade de resfriamento inicialmente baixa, tornando-se alta apenas para valores intermedirios de temperatura da pea. Inicialmente temos um estgio em que se forma um envelope de vapor em volta da pea que impede a troca de calor da pea com o lquido, fazendo com que a velocidade seja baixa. Em um segundo estgio existe a formao de bolhas que entram em colapso rapidamente, permitindo que o fluido entre em contato com a pea e produzindo uma agitao bastante grande do fluido, o que faz com que a velocidade de resfriamento cresa rapidamente. Por fim em um terceiro estgio, a temperatura da pea no mais suficiente para que haja a formao de bolhas e o resfriamento se d apenas por conveco, fazendo com que a velocidade de resfriamento caia novamente.

Outro fato que ocorre freqentemente em peas de formato complicado, como o caso de uma engrenagem, de um eixo com rasgo de chaveta e de outras peas com variaes no relevo, pode ocorrer a variao nas condies de resfriamento na superfcie. Estas condies iro fazer com que a velocidade de resfriamento seja diferente em cada ponto, conduzindo tambm ao aparecimento de trincas, empenamentos ou mesmo pontos moles. Outro problema que pode ocorrer, este mais freqente e mais simples aquele em que temos pequenas diferenas de velocidade de resfriamento entre a superfcie e o centro. Neste caso o que pode acontecer a formao de 100% de martensita na periferia da pea e um teor menor de martensita juntamente com bainita e/ou perlita nas regies mais pea, situao esta que nem sempre pode ser evitada. Esta situao pode ser induzida pelo meio de resfriamento ou pelo tamanho da pea.

De acordo com o que foi acima exposto o meio de resfriamento mais adequado aquele que permite obtermos a maior quantidade possvel de martensita na pea. Assim sendo poderemos ter que resfriar a pea em salmoura, em gua ou mesmo em leo e outros produtos sintticos, estes ltimos para aos de construo mecnica. Para aos de alta temperabilidade como aos para matrizes e ferramentas pode-se utilizar at mesmo o resfriamento ao ar em alguns casos. Quanto maior a temperabilidade menos drstico ter que ser o meio de resfriamento utilizado.

Outro problema associado com o resfriamento para a obteno de martensita a variao de volume. Sempre que temos transformao martenstica teremos uma variao de volume e esta ter efeitos mais importantes quanto maior for a diferena de temperaturas de um ponto para outro.

A diferena de volume entre a estrutura original e a estrutura final martenstica pode conduzir a empenamentos e at mesmo a trincas se as tenses surgidas como conseqncia da variao de volume ultrapassem o limite de ruptura do material. Quando temos diferenas de velocidade de resfriamento da periferia para o centro, por exemplo, forma-se uma capa de martensita que dura e frgil e que ao aumentar de volume comprime o ncleo. Quando o ncleo por sua vez se transforma, este expande e provoca o aparecimento de tenses sobre a capa externa endurecida, podendo produzir trincas na pea.

1.3 Revenido

Um dos grandes problemas relacionados com o tratamento trmico de tmpera est relacionado com a baixa ductilidade e a baixa tenacidade do material aps o tratamento. Embora tenhamos um significativo ganho na resistncia mecnica e na dureza, fatores primordiais quando se quer reduzir o peso da pea ou evitar o desgaste superficial, a ductilidade cai quase a zero. Como a utilizao de um ao nestas condies impossvel devido aos riscos de uma falha catastrfica, este problema tem que ser corrigido, o que conseguido atravs do tratamento trmico de revenido.

O revenido um tratamento em que se faz o reaquecimento da pea temperada dentro de uma faixa de temperatura entre 150 C e 600 C geralmente. As peas so aquecidas e permanecem durante um intervalo de tempo suficiente para que ocorram as transformaes necessrias recuperao de parte da ductilidade e tenacidade perdidas, sendo aps resfriadas at a temperatura ambiente. Como consequncia, teremos uma perda na resistncia mecnica e na dureza. Quanto mais alta for a temperatura de revenido utilizada ou quanto maior for o tempo de tratamento, maior ser o ganho em ductilidade e tenacidade e maior ser a perda de resistncia e de dureza.

Durante o revenido ocorrem transformaes da martensita que so dependentes da temperatura e que iro influir nas propriedades finais do ao. De acordo com a faixa de temperatura temos transformaes diferentes que conduzem ao que se costuma chamar de estgios ou etapas do revenido. No primeiro estgio, que vai at aproximadamente 200 C, o carbono contido na martensita se precipita formando um carboneto chamado psilon, que no tem a composio da cementita. Em consequncia temos uma reduo no teor de carbono da martensita, obtendo-se como resultado uma estrutura bifsica composta de carbonetos e martensita de baixo carbono. As transformaes nas propriedades no so muito significativas, observando-se apenas pequena reduo na dureza e na resistncia e um pequeno aumento na ductilidade e na tenacidade.

Em um segundo estgio, entre 200 Ce 400 C ocorre precipitao de cementita no contorno das agulhas de martensita. Em decorrncia disso teremos uma continuao da queda na dureza e resistncia, porm a tenacidade no aumentada, pelo contrrio, diminui. Isto o que se chama fragilidade de revenido. A queda na tenacidade se inicia prximo dos 200 C para a maioria dos aos e chega a um mnimo em torno de 350 C, quando ento volta a crescer. Nesta faixa, portanto, no conveniente que se faa o revenido porque, embora tenhamos reduo na dureza e na resistncia, no teremos em contrapartida um aumento de tenacidade.

E uma terceira etapa, que se inicia em torno de 400 C, teremos o aparecimento de um precipitado esferioidal de cementita que ir fazer com que a tenacidade e a ductilidade voltem a crescer, portanto estaremos novamente em uma faixa de temperatura em que temos benefcio com o revenido. Este grfico mostra a variao da dureza para vrios aos, note-se que a queda da dureza mais acentuada quanto maior for o teor de carbono.

Figura 1 Queda da dureza com o aumento da temperatura de revenimento (revenimento em forno durante 1 hora). Fonte: Pratical Induction Heat Treating2 Objetivo

O objetivo do presente trabalho o estudo dos efeitos de diferentes tratamentos trmicos, no ao SAE 1050.

Temos como meta elevar a dureza das amostras de ao SAE 1050 de 205 HV para 38 HRC, aps Tempera e aliviadas as tenses residuais deste tratamento com Revenimento.

A realizao dos tratamentos trmicos exige o conhecimento da curva TTT do material, que relaciona as principais variveis deste com o comportamento da microestrutura; conforme exibido na Figura 1.

As anlises metalogrficas e as anlises de literaturas, curvas e grficos ao-carbono auxiliaram para a satisfao das atividades. Essas quais, executadas tiveram como objetivo a aprendizagem e conhecimento a ser alcanado sobre anlise metalogrfica do ao assim como a execuo de tratamento trmico especfico.

Figura 2. Curva TTT Ao 10503 Metodologia Experimental3.1 Analise da amostra antes dos tratamentos trmicosAs analises metalogrficas foram realizadas no Laboratrio de Metalografia da Faculdade Senai Flix Guisard /Taubat-SP.

Foi retirado um corpo de prova(1) de 6 mm com corte transversal da barra de Ao SAE 1050 (13mm de dimetro), que foi embutido em uma Embutidora Metalografica, em um processo que consiste na adio de baquelite e aplicao de presso (aproximadamente 300 bar) e temperatura (120 ~ 150 C) para compactao do baquelite e lixamento com lixas de granulometria 180 e 220 para a medio da micro dureza, onde foi obtido os seguinte resultado:

1 medio ( 205 HV

2 medio (203 HV

3 medio (199,5 HV Mdia das medies ( 202,5 HV

Figura 3 Barra de Ao SAE 1050

Figura 4 (A): Embutidora; (B): Politiz/Lixadeira; (C): Corpo de Prova 1; (D): Equipamento de Micro dureza Vickers; (E): Microscpio ptico.O passo seguinte foi o novo lixamento sequencial da amostra com lixas de granulometria 180/220/400/600, e polimento com pasta de diamante e alumina para verificao da microestrutura.Com a pea espelhada, ataca-se com uma soluo de 95% de lcool para 5%de cido ntrico (Nital 5%). Essa baixa porcentagem devido necessidade de pouco ataque da estrutura perltica para que no corroa o gro inteiro e assim dificulte a observao da estrutura no microscpio. O ataque rpido (+/-8 segundos) e logo depois a pea lavada e seca assim torna visvel constituintes especiais de estruturas como mostrado na figura 4 feita no Microscpio ptico com ampliao de 400x.

Figura 5 Macrografia do corpo de prova 1 aumentada 400X - Ferrita e PerlitaEm seguida foram cortadas outras duas partes (corpos de Prova A e B) deste material com aproximadamente 25 mm de comprimento, que foram submetidas aos tratamentos trmicos.3.2 Tratamentos Trmicos

Os tratamentos trmicos foram realizados em um forno convencional modelo EDG1800 no Laboratrio de Tratamentos Trmicos da Faculdade Senai Flix Guisard /Taubat-SP.

Caractersticas do forno Forno com controle de temperatura e tempo digital, que oferece grande preciso. Aquecido por meio de resistncias eltricas. Pequeno porte.

3.2.1 Tempera corpo de prova (cdp) A

O cdp A, foi colocada no forno pr aquecido a 150 C e programado para 840 C, com 30C/min de taxa de aquecimento. Aps atingir a temperatura desejada, permaneceu por mais 20 minutos. Aps este perodo o cdp A foi resfriado em leo.

Aps lixamento da superfcie com lixa de granulao 220 foi medida a dureza, que apresentou o seguinte resultado:

Dureza do cdp A aps tempera ( 37 HRC

Ficando muito abaixo do esperado que seria uma dureza acima de 40 HRC, para realizao do revenimento.Realizando novas pesquisas conclumos que o meio de resfriamento (em leo) e o tempo de exposio da pea a temperatura ambiente entre a retirada da pea do forno at a imerso no tanque de leo, proporcionou um resfriamento lento reduzindo assim a formao da martensita.3.2.2 Tempera corpo de prova (cdp) B

O cdp B, foi colocada no forno pr aquecido a 150 C e programado para 840 C, com 30C/min de taxa de aquecimento. Aps atingir a temperatura desejada o cdp permaneceu por 10 minutos no forno, em seguida foi feito o resfriamento em gua (Obs.: Foi tomado um cuidado especial em relao ao tempo de retirada da pea do forno, at o tanque com gua, aproximadamente 2 seg.). Aps lixamento da superfcie com lixa de granulao 220 foi medida a dureza, que apresentou o seguinte resultado:

Dureza do cdp B aps tempera. 1 medio ( 59 HRC

2 medio ( 55,8 HRC

3 medio ( 57,5 HRC

Mdia das medies ( 57,4 HRCEnsaio de Dureza Rockwell

O mtodo Rockwell um mtodo de medio direta da dureza, sendo um dos mais utilizados.Com o objetivo da tempera alcanado foi realizado o revenimento, para alivio de tenses residuais e baixar a dureza para 39 HRC, seguindo diagrama figura 8.

Figura 8 Os efeitos do tempo e temperatura para um ao carbono SAE 1050. A dureza funo da temperatura de revenimento e tempo de forno. Ao SAE 1050 austenizado a 840 C e temperado em gua. Fonte: Pratical Induction Heat Treatment 2001.3.3 Revenimento

O cdpB foi levado novamente ao forno pr aquecido a 80C, e programado para 430C, com taxa de aquecimento 30C/min. Para a realizao do revenimento com objetivo de baixar a dureza at 39 HRC e alivio das tenses internas. O cdp permaneceu no forno por uma hora aps atingir a temperatura programada.

Quando retirado o cdp foi resfriado lentamente ao ar livre deixado sobre um bloco refratrio.Aps lixamento da superfcie com lixa de granulao 220 foi medida a dureza, que apresentou o seguinte resultado:

1 medio ( 39,8 HRC

2 medio ( 38,8 HRC

3 medio ( 39 HRC

Mdia das medies ( 39,2 HRCO objetivo foi atingido, aps revenimento a amostra B, ficou com a dureza desejada. Uma nova analise da microestrutura foi realizada.3.4 Anlises do cdp aps o tratamento trmico

O passo seguinte foi o embutimento e lixamento sequencial da amostra com lixas de granulometria 180/220/400/600, e polimento com pasta de diamante e alumina. Depois de polida a amostra foi submetida a ataque qumico com nital 5%, para tornar visvel constituintes especiais de estruturas como mostrado nas imagens 9 e 10 obtidas no Microscpio ptico com ampliaes de 100 e 400x.

Figura 9 ampliao de 100X temperada e revenida Ao SAE 1050

Figura 10 ampliao de 400X tempera e revenimento Ao SAE 1050As imagens mostram que a microestrutura da amostra temperada, ao atingir a temperatura de austenitizao, constituda de martensita refinada, devido ao pequeno crescimento dos gros austenticos, com pequena frao volumtrica de ferrita poligonal, e ferrita acicular. A ferrita acicular e poligonal se forma devido baixa temperabilidade martenstica da austenita com pequeno tamanho de gro.

4 ConclusoO tempo e meio de resfriamento, influenciam diretamente no resultado da tempera.

Conhecer o material a ser tratado termicamente fundamental, pois assim ser possvel verificar as curvas TTT para tempera e revenimento do mesmo.

A otimizao das propriedades mecnicas do ao SAE1050, alta resistncia mecnica associada a uma boa ductilidade, obtida com o tratamento trmico realizado a uma temperatura de austenitizao de 840C, tmpera em gua imediatamente aps atingir essa temperatura, e revenimento por 1 hora, para a temperatura utilizada de 430C nos garantiu a dureza de ~ 39 HRC. 5 Referncias Bibliogrficas[1] Pratical Induction Heat Treatment 2001 Relatrios Academicos.

[2] JACOT, A. et al. Modelling of reaustenitization from the perlite structure in steel.Acta Metallurgical.v.46, p. 3949-3962, 1998.

[3] JACOT, A., RAPPAZ M. A combined model for the description of austenitization, homogenization and grain growth in hypoeuctetoid Fe-C steels during heating.Acta Materialia.v.47, p. 1645-1651, 1999.

[4] AKBAY, T., ATKINSON, C. The influence of diffusion of carbon in ferrite as well as in austenite on model of reaustenitization ferrite/cementite mixtures in Fe-C steels.Journal of Materials Science.v.31, p.2221-2226, 1996.

[5] ASTM E562-83 - Standard test methods for tension testing of metallic materials.American Society Test Metals.v.14, p. 77-97, 1983.

[6] LESLIE, W. C.The physical metallurgy of steels.1. ed. McGraw-Hill, 1982. 396p.

[7] KRAUSS, G.Steels: heat treatment and processing principlesx.2. ed. Colorado: ASM International, 1990. 496p.

6 Apndice 1 Tabela de Referncia

Figura SEQ Figura \* ARABIC 6 Forno EDG 1800

Figura SEQ Figura \* ARABIC 7 Durometro Digital

FP

FA

11