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TRATAMENTOS TÉRMICOS E TERMOQUÍMICOS

Prof. Dr. Anael Krelling

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CICLO DE TRATAMENTO TÉRMICO

Aquecimento

Manutenção

Resfriamento

Tem

per

atu

ra

Tempo


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AQUECIMENTO As variáveis e os cuidados associados à etapa de aquecimento são:

VELOCIDADE – O aquecimento da peça deve ser feito de forma mais lento possível, para que não se formem grandes tensões internas nas peças geradas pela dilatação do material. É necessário que estas tensões tenham condições de se relaxar durante o aquecimento, evitando deformações, empenamentos ou até mesmo trincas na peça. Apesar disto, o aquecimento deve ser rápido o suficiente para não aumentar demasiadamente o ciclo de tratamento térmico e afetar a produtividade do processo. Quando necessário o aquecimento deve ser feito em duas ou até três etapas. ATMOSFERA – Quando necessário o aquecimento deve ser feito em uma atmosfera controlada para se evitar a oxidação superficial da peça.


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MANUTENÇÃO NA TEMPERATURA As variáveis envolvidas durante a etapa de manutenção são:

TEMPERATURA – É determinada em função do tipo de material, de acordo com a sua temperatura de recristalização, que por sua vez varia em função da sua composição química. Para os aços ao carbono a temperatura de recristalização varia diretamente em função do teor de carbono e do tipo e quantidade de elementos de liga. Para aços hipoeutetóides deve-se aquecer pelo menos 50°C acima da temperatura de recristalização total (Linha Ac3). Abaixo desta linha a ferrita não se transforma totalmente em austenita, o que provoca diminuição de dureza após a têmpera (pois a ferrita é mole). Para aços eutetóides ou hipereutetóides a temperatura de recristalização deve ser no mínimo 50°C maior que a linha Ac1. Nesta condição a cementita não dissolvida deve continuar existindo após a têmpera, mas como sua dureza é elevada, promoverá uma influência benéfica sobre a dureza da peça.


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Ac3

Ac1


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TEMPO – O tempo é determinado em função do tamanho da peça. Peças maiores, com paredes mais espessas, necessitam maiores tempos para que a temperatura se homogenize, caso contrário não haverá uma boa recristalização e as propriedades finais serão mais variadas, tanto a resistência como a dureza. A experiência recomenda a seguinte prática para determinar este tempo: •Como regra geral é recomendado um tempo de aquecimento de uma hora para cada 25mm da seção mais espessa da peça, no sentido de se obter uma completa homogeneização da estrutura. •Em fornos intermitentes este tempo deve contar a partir do momento em que o forno estabilizou a temperatura e não após a colocação da peça no forno. Deve-se dar tempo para a recuperação do calor perdido quando se abriu o forno, bem como pelo calor absorvido pelas peças.


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RESFRIAMENTO As características finais da peça após o tratamento térmico variam em função

do tipo de estrutura cristalina obtida e esta depende da velocidade de resfriamento. Portanto, o resfriamento da peça deve ser feito de forma adequada ao que se deseja de propriedades, e sua velocidade deve ser determinada em função de: GEOMETRIA DA PEÇA – Quanto mais complexa geometricamente a peça mais lento deve ser o resfriamento, no sentido de se evitar grandes deformações; TIPO DE MATERIAL UTILIZADO – Aços muito ligados, que apresentam um caráter mais frágil, devem ser resfriados de forma mais lenta possível ou de forma escalonada. Aços de baixo carbono e baixa quantidade de elementos de liga devem ser resfriados o mais rapidamente possível; REQUISITOS DIMENSIONAIS DESEJADOS – Mesmo que as peças tenham geometria simples, quando os requisitos dimensionais forem mais rígidos, menor deve ser a velocidade de resfriamento; PROPRIEDADES DESEJADAS – Peças que exigem elevadas durezas, mas que não possuem muitos elementos de liga, requerem maiores velocidades de resfriamento.


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RECOZIMENTO Visa reduzir a dureza do aço, aumentar a usinabilidade, facilitar o trabalho a frio ou atingir a microestrutura ou as propriedades desejadas. Existem, basicamente, três tipos principais de recozimento: •Recozimento pleno ou supercrítico; •Recozimento subcrítico; •Esferoidização ou recozimento intercrítico.


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RECOZIMENTO OU RECOZIMENTO PLENO Consiste em austenitizar o aço, resfriando-o lentamente a seguir. A temperatura de recozimento é de mais ou menos 50°C acima da linha A3 para aços hipoeutetóides e 50°C acima de A1 para aços hipereutetóides. Nos Hipereutetóides não se deve ultrapassar a Acm, porque, no resfriamento posterior, ao ser atravessada novamente esta linha, formar-se-ia cementita nos contornos de grão da austenita, o que iria fragilizar posteriormente a peça tratada. O resfriamento deve ser feito dentro do forno ou ainda em campânulas isoladas, cal em pó, areia bem seca, cinzas ou qualquer meio que assegure um resfriamento lento.


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RECOZIMENTO SUBCRÍTICO É aquele em que o aquecimento se dá a uma temperatura abaixo de A1. É usado para recuperar a ductilidade do aço trabalhado a frio (encruado). O recozimento subcrítico é realizado antes de novas deformações nos produtos que sofreram deformação a frio. Normalmente, o aquecimento do aço carbono na faixa de 595 a 675°C, seguido de resfriamento ao ar, é suficiente. As principais transformações são a recuperação e a recristalização das fases encruadas. Não há formação de austenita, não fazendo sentido, portanto a utilização de diagramas TTT.


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Alívio de Tensões em Aço Carbono


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RECOZIMENTO DE ESFEROIDIZAÇÃO No recozimento de esferoidização se objetiva alterar a distribuição dos carbonetos na microestrutura (especialmente aqueles presentes na perlita), transformando-os em pequenos glóbulos ou esferas, dispersos na matriz. Em diversos casos, especialmente aços de médio a alto carbono, esta estrutura é muito favorável para a usinabilidade. Há várias maneiras de se obter uma estrutura de carbonetos esferoidizados em matriz ferrítica após uma austenitização total ou parcial: manutenção por tempo prolongado à temperatura pouco abaixo de A1, resfriar lentamente ao passar por A1 ou ciclar acima e abaixo de A1.


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Esferoidização


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NORMALIZAÇÃO A normalização consiste na austenitização completa do aço, seguida de resfriamento ao ar parado ou agitado. É indicada para a homogeneização da estrutura após o forjamento e antes da têmpera ou revenimento. Aços ligados que temperam ao ar não são normalizados. Pode ser usada para as seguintes aplicações: •Refino de grão (por meio de recristalização) e homogeneização da estrutura visando a obter uma melhor resposta na têmpera ou no revenimento posterior; •Melhoria da usinabilidade; •Refino de estruturas brutas de fusão (peças fundidas) •Obter propriedades mecânicas desejadas.


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TÊMPERA ENDURECIBILIDADE

Endurecibilidade é um termo usado para descrever a habilidade de uma liga em ser endurecida pela formação de martensita como resultado de um dado tratamento térmico. A endurecibilidade representa uma medida qualitativa da taxa segundo a qual a dureza cai em função da distância ao se penetrar no interior de uma amostra como resultado de um menor teor de martensita. Uma liga de aço que possui uma endurecibilidade elevada é uma que endurece, ou que forma martensita, não apenas na superfície, mas em elevado grau também ao longo de todo o seu interior.


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ENSAIO JOMINY DA EXTREMIDADE TEMPERADA (ASTM A 255) Um corpo de prova cilíndrico com 25,4mm de diâmetro e 100mm de comprimento é austenitizado em uma temperatura predeterminada durante um período de tempo predeterminado. Após a remoção do forno ele é montado rapidamente sobre um suporte. A extremidade inferior é resfriada rapidamente pela ação de um jato de água com vazão e temperatura específicas. Após a peça ter sido resfriada até a temperatura ambiente, chanfros finos e chatos com 0,4mm de profundidade são feitos e polidos ao longo do comprimento do CDP e são realizadas medições da dureza Rockwell para os primeiros 50mm ao longo de cada chanfro; para os primeiros 12,8mm as leituras de dureza são tiradas em intervalos de 1,6mm, enquanto para os demais 38,4mm as leituras são tomadas a cada 3,2mm. Uma curva de endurecibilidade é produzida quando a dureza é plotada como uma função da posição a partir da extremidade temperada.


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25 Água Óleo


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Determinar o perfil radial da dureza para uma amostra cilíndrica de um aço 1040 com 2 pol de diâmetro que foi temperada em água moderadamente agitada.


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TÊMPERA Quando empregado sem qualificativo, o termo “têmpera” indica um tratamento visando a formação de martensita. A têmpera consiste em resfriar o aço, após austenitização, a uma velocidade suficientemente rápida para evitar as transformações perlíticas e bainíticas na peça em questão. Deste modo, obtém-se estrutura metaestável martensítica. Como diferentes aços apresentam curvas TTT distintas, a taxa mínima de resfriamento necessário para evitar as transformações perlítica e bainítica varia em uma faixa bastante larga. Deve-se observar ainda que, com o aumento do teor de carbono, diminui-se a temperatura para MI e MF. A dureza martensítica aumenta com o teor de carbono.


29 Curva TTT do aço AISI ABNT 1020


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Pode gerar austenita retida: •Heterogeneidade •Redução de propriedades •Variação dimensional


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Para o controle da taxa de resfriamento, utilizam-se diversos meios de têmpera, com diferentes capacidades de extração de calor (severidade). Os meios de têmpera mais comuns são: água (pura, com adição de sal ou com adição de polímeros solúveis em água como poliacrilato de sódio (PA) e polivinil álcool (PVA)), óleo e ar, embora outros meios gasosos possam der empregados (nitrogênio, hélio, argônio, etc.).


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Temperatura e taxa de resfriamento medidas no centro de uma barra de 25mm


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TENSÕES NA TÊMPERA Enquanto no recozimento não se encontram gradientes de temperatura sensíveis nas peças, durante o resfriamento, a severidade com que este ocorre na têmpera faz surgir gradientes bastante acentuados entre o centro e a superfície. A presença destes gradientes de temperatura na peça a temperar faz surgir tensões internas, associadas à: •Contração do aço durante o resfriamento; •Expansão associada com a transformação martensítica; •Mudanças bruscas de seção e outros concentradores de tensões.

Dependendo da magnitude das tensões resultantes, podem ocorrer: deformação plástica (empenamento), ruptura (trincas de têmpera) e tensões residuais.


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Efeito do diâmetro da barra e do meio refrigerante nas curvas de resfriamento do aço 1045. as curvas referem-se ao centro das barras.


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Efeito do diâmetro, massa e meio refrigerante nas curvas de resfriamento de um aço 1045.

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Aço 0,95C-0,5W-0,5Cr-0,2V austenitizado a 840°C

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Aço 1095

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REVENIMENTO Para atingir os valores adequados de resistência mecânica e tenacidade, deve-se, logo após a têmpera, proceder ao revenimento. O revenimento consiste no aquecimento a temperaturas inferiores a temperatura Ac1 para aumentar a ductilidade e tenacidade e ajustar a resistência mecânica ao nível desejado e promover alívio de tensões.


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Variação das propriedades mecânicas do aço 4340 em função da temperatura de revenimento.


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Efeito da duração do revenimento de um aço com 0,82% C sobre a dureza para quatro temperaturas diferentes.


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1. (Temperatura ambiente até 200°C) – a martensita se transforma em um precipitado de transição cuja composição varia de Fe2C a Fe3C. A martensita perde parcialmente a sua tetragonalidade. A precipitação de carbonetos ε leva, ás vezes, no caso de aços com alto teor de C, a um aumento de dureza, pelo mecanismo de endurecimento por precipitação.

2. (de 200 a 300°C) – qualquer austenita retida se decompõe em bainita (mescla fina de ferrita e cementita).

3. (de 260 a 360°C) – a martensita de baixo carbono e o carboneto ε, se decompõem em ferrita e cementita.

4. (de 360 a 727°C) – se produz uma esferoidização e um crescimento das partículas de carboneto.


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TÊMPERA SUPERFICIAL É um processo de têmpera convencional aplicado somente na região superficial da peça. Ideal para produzir peças com alta dureza superficial e, por consequência, com maior resistência ao desgaste, com um núcleo mais mole e dúctil. É o caso de engrenagens, em que se deseja alta resistência ao desgaste na superfície para suportar o atrito de metais, e um núcleo dúctil, para acomodar os impactos recebidos. Para se promover um aquecimento rápido da superfície da peça, utiliza-se o aquecimento indutivo (corrente alternada em bobinas gerando um campo eletromagnético) ou por chama (processo mais lento do que o indutivo, porém mais barato).


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Diferentes tipos de espiras para o aquecimento indutivo, em função da região a ser aquecida.


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Diferentes dispositivos para têmpera superficial por chama.


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CEMENTAÇÃO Consiste na introdução de C na superfície do aço, de modo que este, depois

de temperado, apresente uma superfície mais dura. Para se produzir uma combinação de uma superfície mais dura com núcleo tenaz, deve-se partir de um aço com baixo carbono (C < 0,30%) e aquecê-lo, geralmente, entre 815 e 950°C. Aços como AISI 5120, 8620, 4118, 4620 e 4023 são alguns dos mais comumente empregados para engrenagens, por viabilizarem têmpera posterior em óleo. AISI 9310 e 4320 podem ser empregados em aplicações com solicitações rigorosas. Pode ser feita por via: •Sólida; •Gasosa; •Líquida; •Vácuo; •Plasma.


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CEMENTAÇÃO SÓLIDA As peças de aço são acondicionadas em caixas metálicas, a que se adiciona carvão de madeira ou coque, catalisador constituído de uma mistura de 50 a 70% de carbonato de bário com outros carbonatos (cálcio, potássio e sódio) e um óleo ligante ou alcatrão.


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VANTAGENS •Pode utilizar uma grande variedade de fornos, pois produz sua própria atmosfera cementante; •É ideal para peças que precisam de resfriamento lento após a cementação, como as que serão usinadas antes do tratamento de têmpera.

DESVANTAGENS •Não é indicada para camadas que devem ser controladas dentro de uma tolerância estreita; •Não permite controle do potencial de carbono na superfície da peça; •Não é recomendada para têmpera direta após cementação, devido à dificuldade de desempacotar as peças; •É mais lenta que os outros processos de cementação, pois é preciso aquecer e resfriar a peça junto com a caixa que a contém.


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TEMPERATURAS Normalmente de 815 a 955°C, chegando, às vezes, a 1095°C. PROFUNDIDADE DA CAMADA CEMENTADA Varia de 0,6 a 6,9mm dependendo das condições de tempo e temperatura. A profundidade é medida por meio de dureza. Considera-se “camada cementada efetiva” a região com dureza maior do que 50 HRC. MATERIAL DAS CAIXAS Podem ser de aço baixo carbono ou aço inoxidável. Aço carbono com revestimento de alumínio, que prolonga significativamente a vida das caixas, é atualmente o material de menor custo por peso de peça cementada.


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Efeito do tempo de cementação na profundidade da camada cementada e na distribuição do carbono, para um aço 3115, cementado a 925°C com carvão de madeira, coque e carbonato de sódio


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CEMENTAÇÃO GASOSA Consiste em se colocar a peça a ser cementada em um forno com atmosfera de potencial de carbono controlado. A cementação gasosa é muito empregada industrialmente. A limpeza inicial da superfície é muito importante para a obtenção de resultados uniformes.

Reversível! Aço pode receber (C) ou perder.


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VANTAGENS •Processo mais limpo que por via sólida; •Melhor controle do teor de carbono e da espessura da camada cementada; •Processo rápido e para produção contínua; •Possibilita a têmpera direta, evitando o resfriamento.

DESVANTAGENS •Custo alto dos equipamentos, se comparados com os da cementação sólida; •Requer pessoal habilitado.


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GÁS CEMENTANTE São empregados o gás natural (80 a 90% de CH4 e 10 a 20% de C2H6), o propano (C3H8), o butano (C4H10), e mais recentemente, no Brasil, o álcool etílico volatilizado (C3H5OH). GÁS VEÍCULO São empregados para diluir o gás cementante e manter uma pressão positiva no forno. São formados a partir da mistura dos seguintes gases: N2 (40 a 97%); CO (2 a 35%); CO2 (0 a 5%); H2 (1 a 40%); CH4 (0 a 1%). A relação entre o gás veículo e o gás cementante varia de 8:1 a 100:1, respectivamente. PROFUNDIDADE DA CAMADA CEMENTADA Varia de 0,5 a 2,0mm, usualmente, e depende, além do tempo e da temperatura, do potencial de carbono no forno.


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Gradiente de carbono no aço 1022 cementado a gás, a 920°C.


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Gradiente de carbono para os aços 1020 e 8620 após cementação a gás (CH4/H2), em diferentes temperaturas.


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Efeito de diferentes relações CH4:H2 em aços de vários teores de C em diversas temperaturas. Uma composição à direita de uma curva é carbonetante para o aço considerado; uma composição à esquerda é descarbonetante.


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CEMENTAÇÃO LÍQUIDA Consiste em se manter o aço em um banho de sal fundido em uma temperatura acima de A1. A profundidade da camada cementada depende da composição do banho e, principalmente, da temperatura utilizada Como o sal fundido contém cianeto de sódio (NaCN) e cianato de sódio (NaCNO), a camada endurecida contém apreciável quantidade de nitrogênio, que pode formar nitretos. Os nitretos aumentam a resistência ao desgaste e reduzem o amolecimento durante os tratamentos térmicos, como o revenimento.


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VANTAGENS •Obtenção de apreciáveis profundidades de penetração em tempo relativamente mais curto que na cementação a gás, pois a peça entra em contato direto com a massa líquida; •Proteção efetiva contra descarbonetação; •Possibilidade de operação contínua, pela colocação ou retirada das peças, enquanto outras ainda estão em tratamento.

DESVANTAGENS •Produz resíduos tóxicos de cianeto; •Necessidade de limpeza posterior em alguns casos, como a têmpera em óleo.


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Perfil de distribuição do carbono após cementação líquida, em barras de aço 1020, utilizando diferentes temperaturas do banho.


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Efeito do tempo de cementação no processo de “camada pura” (mistura de cloretos e grafita) para um aço 1117 aquecido a 955°C.


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CEMENTAÇÃO A VÁCUO O aço é austenitizado em uma câmara a vácuo (0,1 a 0,5 torr), com posterior

injeção de gás cementante (metano ou propano, puros ou misturados) em uma pressão parcial entre 10 e 200 torr e mantido entre uma e três horas na temperatura de austenitização para possibilitar a difusão do C. Em seguida, a câmara é evacuada e, posteriormente, preenchida com gás nitrogênio, sendo o aço temperado diretamente em óleo. A amônia pode ser adicionada ao gás cementante se for necessária a introdução de nitrogênio na camada endurecida. O processo oferece uma melhor uniformidade e um controle mais preciso da camada cementada em relação á cementação gasosa. Como o processo todo é a vácuo, as peças saem muito mais limpas que na cementação gasosa, não requerendo limpeza posterior. A emissão de gases também é menor que na cementação gasosa, reduzindo problemas ambientais. Em contrapartida, o custo do equipamento é maior.


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CEMENTAÇÃO A PLASMA A cementação com plasma usa a tecnologia de descargas luminescentes para fornecer íons de carbono para a superfície da peça. O processo de cementação iônica é mais rápido que o de cementação a gás. Se o metano for usado, por exemplo, na cementação a gás, ocorrerão várias reações de decomposição desse gás. Na cementação iônica a dissociação do metano forma diretamente o carbono ativo, reduzindo o tempo do processo. Temperaturas mais altas podem ser usadas, o que favorece a difusão do C e aumenta o limite de solubilidade do C na austenita. Também em relação à cementação a vácuo a cementação iônica é um processo mais rápido. A camada cementada é mais uniforme. O processo iônico é mais seguro que o a gás, pois não utiliza gases tóxicos como o monóxido de carbono.


70 Limite de solubilidade do C na austenita para cementação iônica e a gás.


71 Perfil de distribuição do C em aço 8620 cementado por 30 minutos a 980°C com diferentes

processos


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NITRETAÇÃO

Introdução superficial de nitrogênio no aço

Temperaturas na faixa de (500 – 570°C)

Formação de camada dura de nitretos

Al, Cr, Mo, V – maior dureza em comparação com cementação

Menores que a cementação – menor distorção

Até 70 HRC


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NITRETAÇÃO GASOSA

Peça em atmosfera de amônia (500 – 565°C)

- Entre os fatores mais importantes para o aumento da vida útil das matrizes de extrusão a quente na indústria de alumínio. - Processo mais utilizado (90 – 95%)

Acréscimo de pressão gera acréscimo de dureza.

Dureza em diferentes posições da superfície nitretada a diferentes pressões.


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NITRETAÇÃO LÍQUIDA O aquecimento é feito na mesma faixa de temperatura da nitretação a gás (500 a 570°C), utilizando um banho a base de cianeto ou cianato. A grande vantagem sobre a nitretação a gás é que o tempo utilizado é bem menor. A desvantagem é que a camada nitretada também é menor (máxima de 0,015mm contra 0,7mm da nitretação a gás). Os aços empregados são: carbono, baixa liga, ferramenta, inoxidável e resistente ao calor.


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Gradiente de nitrogênio no aço 1015 em função do tempo de nitretação líquida a 565°C.


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NITRETAÇÃO A PLASMA

Bombardeamento de íons de nitrogênio sobre a peça

-Aquecimento -Limpeza -Fornecer N ativo

Formação da camada branca é melhor controlada

ε(Fe2,3N) – Resistência ao desgaste e fadiga, sem choque. γ´(Fe4N) – Menor dureza e resistência ao desgaste, maior tenacidade.

Efeito da composição do gás na camada nitretada a plasma.


77 Efeito da nitretação na resistência à fadiga de um aço 15B21H


78 Variação do coeficiente de atrito durante um teste de desgaste no par tribológico aço inoxidável

(0,04 C – 18 Cr – 9 Ni) e aço 52100 com parafina líquida como lubrificante.


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VANTAGENS •Possibilidade de controle de fases na região branca: camada monofásica de γ’ (Fe4N), camada monofásica de ε (Fe2-3N), camada bifásica de γ’ (Fe4N) + ε (Fe2-3N), ou ainda, nenhuma formação destes nitretos; •Melhor controle da camada nitretada; •Menores temperaturas (tão baixas quanto 370°C); •Menor distorção nas peças por trabalhar com menores temperaturas de processo; •Não poluente (evita o uso de amônia); •Menor consumo de energia; •Maior facilidade de automação; •Reduz tempo de nitretação.

DESVANTAGENS •Alto custo do equipamento; •Necessidade de fixar as peças com conectores para passagem de corrente elétrica;


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Vídeos/Nitretação a Plasma de Brocas.mpg

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BORETAÇÃO •Boretação – tratamento termoquímico no qual átomos de boro se difundem para o interior da matriz metálica. Metais ferrosos, ligas de Ni e Co, ligas refratárias, materiais sinterizados, etc. •Geralmente aplicado em ligas ferrosas para aumentar dureza superficial e resistência ao desgaste. •Tipicamente ocorre entre 840°C e 1050°C em uma variedade de meios (pós, sais, óxidos fundidos, gases e pastas). Agentes sólidos têm vantagens em termos econômicos e toxicológicos.


82 Diagrama de Equilíbrio Fe-B

FeB – 16,23%p B – ortorrômbica Fe2B – 8,83%p B – tetragonal

Fe2B é mais desejável (menos frágil). Mistura de FeB e Fe2B – geração de trincas – coeficientes de expansão volumétrica diferentes.


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BORETAÇÃO COM PÓ •Peças em caixas de aço refratário, 10 a 20mm de pó boretante, 840°C a 1050°C, resfriamento ao ar. •Pós – substância responsável pelo fornecimento de boro (B4C, ferro-boro, boro amorfo ou bórax), diluentes (SiC ou Al2O3) e um ativador (NH4Cl). Existem marcas comerciais de pós para boretação. •Granulometria tem influência no resultado do processo. Quanto menor o tamanho das partículas, melhor a difusividade. •Espessura mínima da camada de pó de 10mm. Para espessuras menores do que 10mm há redução da camada boretada.


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H13 boretado a 1000 °C por 4 h.

1018 boretado a 850 °C por 4 h.


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