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Tratamentos Térmicos
Finalidade dos tratamentos térmicos:
ajuste das propriedades mecânicas através de
alterações da microestrutura do material.
Objetivos:
alívio de tensões
controle da dureza e resistência mecânica
melhora da ductilidade
melhora da usinabilidade
melhora da conformabilidade
melhora da resistência ao desgaste
melhora da resistência à corrosão
Ciclo geral de um tratamento térmico
O ciclo geral de um processo de tratamento térmico consiste em:
- aquecimento na temperatura,
- manutenção na temperatura e
- resfriamento
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
Tempo
aquecimento
permanência na
temperatura
resfriamento
Ciclo geral de um tratamento térmico
1.1. Aquecimento O tempo de aquecimento é o tempo necessário desde o início do
aquecimento até a obtenção da temperatura desejada na superfície
da peça tratada.
A velocidade de aquecimento é a mudança da temperatura em
função do tempo da superfície da peça.
O aquecimento de peças pode ser realizado de cinco maneiras:
1.1. Aquecimento
t = temperatura do forno,
tp = temperatura da superfície da peça tratada
tj = temperatura do centro da peça
( t = tp-tj).
t0 = temperatura prescrita de aquecimento
1) as peças são colocadas no forno frio e
se aquecem juntamente com o
aumento da temperatura do forno:
a velocidade do aquecimento é
baixa
os gradientes de temperatura são
pequenos,
as tensões térmicas são
pequenas,
a produtividade é baixa.
1.1. Aquecimento
t = temperatura do forno,
tp = temperatura da superfície da peça tratada
tj = temperatura do centro da peça
( t = tp-tj).
t0 = temperatura prescrita de aquecimento
2) as peças são colocadas no forno
mantido na temperatura constante
(pode ser um pouco mais alta do que a
temperatura prescrita).
este processo resulta em
gradientes de temperatura e
tensões térmicas maiores.
1.1. Aquecimento
t = temperatura do forno,
tp = temperatura da superfície da peça tratada
tj = temperatura do centro da peça
( t = tp-tj).
t0 = temperatura prescrita de aquecimento
3) as peças são expostas a um aquecimento
intensivo, colocando-as em um forno com
temperatura significativamente mais alta do
que a temperatura prescrita.
a temperatura da carga de peças
aumenta rápido, sendo que para o seu
aquecimento se aproveita também
parte da energia térmica acumulada do
forno.
usa-se para o aquecimento de peças
em caso de tratamentos termo-
químicos (nitretação, cementação)
1.1. Aquecimento
t = temperatura do forno,
tp = temperatura da superfície da peça tratada
tj = temperatura do centro da peça
( t = tp-tj).
t0 = temperatura prescrita de aquecimento
4) as peças são colocadas em fornos com
temperatura constante e mais alta do que a
temperatura prescrita.
a peça é retirada do forno quando a
temperatura prescrita é atingida.
os gradientes de temperatura e as
tensões térmicas neste caso são as
mais altas.
1.1. Aquecimento
t = temperatura do forno,
tp = temperatura da superfície da peça tratada
tj = temperatura do centro da peça
( t = tp-tj).
t0 = temperatura prescrita de aquecimento
5) aquecimento em estágios
se realiza em um meio até uma certa
temperatura,
depois se transfere para outro meio
com temperatura mais alta.
este método se aplica para materiais
que são suscetíveis ao trincamento
devido às tensões térmicas.
1.1. Aquecimento
Na fase de aquecimento os seguintes cuidados são
essenciais:
a) controle da velocidade de aquecimento
- gradiente de temperatura causa tensões de origem térmica e estrutural,
então o aquecimento muito rápido, pode causar choque térmico e iniciar
trincamento
Peças de ligas, que são suscetíveis ao trincamento devem ser colocados
em forno preaquecido em temperatura mais baixa e em seguida a
temperatura deve ser aumentada gradualmente.
1.1. Aquecimento
b) controle da distribuição da temperatura na carga e no forno
Quando se trata de cargas pequenas e fornos menores o controle do
processo de aquecimento é menos exigente.
Em cargas superiores a 200t, devido à alta inércia do sistema ,é mais difícil
obter uniformidade da temperatura através da carga toda.
Recomenda-se a utilização de vários termopares no meio da carga de modo
a poder controlar melhor a distribuição da temperatura durante o ciclo todo.
c) distribuição das peças no forno – as distâncias podem influenciar a
transferência de calor por convecção e radiação.
1.1. Aquecimento
Meios de Aquecimento:
O meio de aquecimento pode ser: gasoso, líquido ou sólido.
O mais comum é aquecer as peças em atmosfera gasosa.
Atmosferas:
N2 (asfixiante) inerte
H2 (inflamável, asfixiante) redutor
CO (inflamável, tóxico) redutor / carbonetador
CO2 (tóxico, asfixiante) oxidante / descarbonetador
CH4 (inflamável, asfixiante) carbonetador
1.1. Aquecimento
Meios de Aquecimento:
Meios líquidos: garantem maior uniformidade de temperatura e uma
capacidade maior de aquecimento
sais fundidos: BaCl2, NaCl, KCl, NaNO3, KNO3, etc.
metais líquidos: Al, Pb
O aquecimento em meios sólidos ( coque, cavacos de ferro fundido)
tem a vantagem de uma maior velocidade de aquecimento do que
nos meios gasosos.
1.2. Permanência na temperatura
O tempo da permanência na temperatura depende:
- do material (condutividade térmica)
- da forma da peça
- das dimensões da peça
Tempo para uniformização de temperatura em peças de secção uniforme: pelo menos um minuto por milímetro de espessura.
(Esse tempo deve ser ampliado em função da forma da peça e quando o aço for ligado).
O tempo da permanência deve ser estabelecido para que:
- se possam realizar os processos de caráter difusivo:
- dissolução de carbetos,
- homogeneização da composição química
- ou diminuição das tensões internas.
1.3. Resfriamento
O resfriamento a partir da temperatura do tratamento térmico tem uma grande influência na estrutura e nas propriedades do material processado.
Diferentes taxas de resfriamento podem ser obtidas:
- resfriamento no forno (taxas de resfriamento baixas)
- resfriamento no ar fora de forno sem ou com circulação forçada – taxas mais elevadas
- resfriamento por névoa (partículas de água suspensas em um gás)
- resfriamento por imersão em líquido (água, solução de sais em água, óleo, polímeros, banhos de sal, metal líquido)
Como Escolher o Meio de Resfriamento ????
É um compromisso entre:
- Obtenção das caracterísitcas finais desejadas (microestruturas e propriedades),
- Sem o aparecimento de fissuras e empenamento na peça,
- Sem a geração de grande concentração de tensões
Durante o tratamento térmico ocorrem mudanças dimensionais no
aquecimento e resfriamento devido à expansão térmica.
Tensões de origem térmica
Durante o resfriamento, a superfície da peça resfria e contrai mais
rapidamente que o seu núcleo;
No momento em que a região superficial tornar-se rígida pelo
resfriamento, ela irá opor-se a ulterior contração do núcleo e surgirão
tensões internas apreciáveis;
1.4 Tensões internas, empenamento
1.4 Tensões internas, empenamento
Tensões térmicas em uma peça cilíndrica durante resfriamento (sem
transformação de fase)
1.4 Tensões internas, empenamento
Tensões provenientes das transformações de fases
Em muitas ligas metálicas, particularmente nas ferrosas, as
transformações de fases produzem variações de volume tanto mais
sensíveis quanto mais drásticas as condições de resfriamento e
mais complexas as formas das peças.
Mudanças das tensões internas
durante o resfriamento de um
cilindro de aço que sofre
transformação martensítica
1.4 Tensões internas, empenamento
As mudanças dimensionais resultantes das tensões internas podem
quando seu valor ultrapassar o limite elástico do material:
- levar ao empenamento das peças
- surgimento de trincas
Para evitar um nível elevado de tensões:
- resfriar as peças a baixa velocidade,
o que nem sempre é possível, pois, na prática, o principal tratamento
térmico das ligas ferrosas é a têmpera que exige velocidades de
resfriamento elevadas.
O projeto inadequado das peças como entalhes, mudanças bruscas das
seções podem também levar ao empenamento e trincamento.
1.5. Fornos
Os fornos empregados para tratamentos térmicos podem ser classificados em
dois grandes grupos:
a) intermitentes
b) contínuos
1.5. Fornos
Intermitentes: em que a carga entra periodicamente.
Um forno intermitente básico normalmente consiste de uma câmara
isolada, de uma casca de aço reforçada, de um sistema de
aquecimento e de uma ou mais portas para carregamento.
(Alguns dos tipos mais
comuns: fornos de caixa,
fornos de fundo móvel,
fornos tipo sino, fornos
poço, fornos de banho de
sal ou de chumbo).
1.5. Fornos
Forno de batelada semicontínuo
aquecido a gas. Forno de batelada para
homogeneização de grandes cilindros.
1.5. Fornos
Contínuos: em que a carga entra continuamente.
Os componentes básicos de um forno contínuo são também a câmara,
o sistema de aquecimento, portas de acesso.
Os fornos contínuos mais usados incluem fornos com correia
transportadora, fornos munidos de empurradores, fornos soleira móvel
sobre roletes, fornos de soleira giratória, fornos túnel.
Forno contínuo com correia.
Controle da temperatura
Os sensores mais usados são os de contato, como termopares (90 % de
todos os sensores), e termômetros de resistência (mais precisos do que
o termopar, mas também mais caros).
Os termômetros sem
contato (sensores de
radiação) são os
pirômetros que podem
ser óticos ou
detectores térmicos.
O uso destes sensores
é justificado quando a
temperatura é alta
demais para um
sensor de contato, ou
quando se exige uma
resposta mais rápida.
Recozimento
O recozimento é um tratamento térmico que elimina parcialmente ou
totalmente, o afastamento do estado de equilíbrio originado com
um tratamento térmico ou mecânico anterior, como deformação
plástica, fundição, soldagem, tratamento térmico ou outros
processos tecnológicos.
Dependendo do grau de afastamento das condições de equilíbrio, se
diferenciam os seguintes recozimentos:
Recozimento para homogeneização
Recozimento total ou pleno
Recozimento para recristalização
Recozimento para alívio de tensões
Recozimento
Recozimento é um termo genérico para as operações de tratamento
térmico que consistem no AQUECIMENTO e manutenção em uma
TEMPERATURA por TEMPO CONTROLADO, seguido de
RESFRIAMENTO LENTO com o forno desligado;
Os processos de recozimento, em geral, tem como objetivos:
Facilitar as operações de trabalho a frio e usinagem com a
obtenção de máxima ductilidade.
Remover tensões resultantes dos processos de fundição e
conformação mecânica a frio;
Diminuir a dureza para melhorar a ductilidade, ajustar o tamanho
de grão, regularizar a textura bruta de fusão e
Equalizar a composição ao longo da peça.
Recozimento
O Recozimento também pode ser classificado em Pleno, Subcrítico e
Intercrítico.
Faixas Típicas para Recozimento Pleno, Subcrítico e Intercrítico
Recozimento para Recristalização
Recozimento caracterizado pela permanência em
temperatura dentro da faixa de recristalização, após
deformação realizada abaixo dessa faixa.
Utiliza-se para peças deformadas plasticamente a frio,
com a finalidade de reduzirem os seus limites de
escoamento e de resistência.
Recozimento para Recristalização
A deformação a frio resulta em “encruamento” - aumento da dureza,
resistência mecânica, resistência elétrica, e ao mesmo tempo, em
redução da dutilidade.
O trabalho a frio causa também um aumento significativo do número
das discordâncias e certos planos cristalográficos são
severamente distorcidos.
A maior parte da energia da deformação plástica é dissipada em forma
do calor, mas uma parte (~ 5%) é armazenada na estrutura do
cristal como energia interna associada aos defeitos da rede
cristalina formados durante a deformação.
Essa energia armazenada atua como a força motriz para devolver ao
sistema as condições normais da estrutura não deformada, desde
que se criem condições cinéticas capazes de realizar esse
processo. A barreira energética que impede essa volta à condição
não deformada é ultrapassada pelo aquecimento do metal, a uma
temperatura, durante um tempo determinado.
Recozimento para Recristalização
Em função da temperatura e do grau do trabalho ao frio o recozimento
compreende três estágios principais:
- recuperação
- recristalização
- crescimento de grão.
Recozimento para Recristalização
RECUPERAÇÃO
estrutura dos grão não se altera (fenômenos se manifestam a nível de subestrutura)
propriedades mecânicas e físicas são parcialmente restauradas
baixas temperaturas → movimentação e eliminação de lacunas
altas temperaturas → rearranjo e aniquilação de discordâncias
O estágio de recuperação também é chamado de “Recozimento para Alívio de Tensões”.
RECRISTALIZAÇÃO
alteração da estrutura dos grão
(substituição da estrutura trabalhada a frio por novos grãos livres de deformação)
propriedades mecânicas e físicas são restauradas (todos os efeitos do encruamento são eliminados)
Recozimento para Recristalização
A temperatura de recristalização é definida como a temperatura na qual o processo é completo durante uma hora.
Temperatura da recristalização
como função da porcentagem do
trabalho a frio
A recristalização é iniciada a uma
temperatura mais baixa e se completa
em uma faixa mais estreita das
temperaturas, quando:
a deformação prévia tiver sido maior
o tamanho de grão original for
menor;
o metal for mais puro;
Existe uma “deformação crítica”,
abaixo qual não ocorre recristalização
Recozimento para Recristalização
O tamanho de grão após a recristalização influencia a resistência
mecânica, sendo favorável um tamanho de grão menor para
altos valores de tensão de escoamento. O tamanho de grão do
metal recristalizado será menor quanto:
menor a temperatura;
menor o tempo de aquecimento até a temperatura;
mais intenso o encruamento prévio;
maior a quantidade presente de partículas insolúveis ou mais
finamente dispersas elas estiverem.
Recozimento para Recristalização
CRESCIMENTO DE GRÃOS
Após a recristalização se completar, a microestrutura de grãos recristalizados ainda não é a mais estável. A quantidade de contornos passa atuar como potencial termodinâmico para o crescimento de grão de modo a diminuir o número de grãos por unidade de volume ou, em outras palavras, diminuir a área total desses contornos.
Os contornos de grão de alto ângulo representam um lugar com elevada desordem dos átomos o que significa um nível mais alto da energia. Isso significa, que depois da transformação do volume inteiro do material para grãos não deformados estes continuam a crescer, reduzindo assim a quantidade dos contornos dos grãos(e a energia interna do sistema). No entanto, o potencial termodinâmico para o crescimento de grão é cerca de duas ordens de grandeza menor que o potencial termodinâmico para a recristalização primária.
Recozimento para Alívio de Tensões
(Subcrítico)
Não envolve a formação de Austenita
Aplicado com TEMPERATURAS inferiores a
A1 (40 a 100ºC, abaixo de A1)
O objetivo é ALIVIAR as TENSÕES originadas durante a
solidificação de peças fundidas ou produzidas em operações de
conformação mecânica, corte, soldagem ou usinagem, RECUPERAR
A DUCTILIDADE DO AÇO TRABALHADO A FRIO (ENCRUADO).
Também é utilizado para ajustar o tamanho de grão e gerar
COALESCIMENTO e aglomeração de carbonetos.
O mecanismo do processo de alívio de tensões é a movimentação de
defeitos pontuais e discordâncias, induzida termicamente, que
permite a remoção das deformações internas
O tratamento aplica-se a todas as ligas Fe-C, a ligas de Al, Cu e suas
ligas, Ti e algumas de suas ligas, ligas de Mg, de Ni etc.
Esferoidização
Tratamento térmico que tem como objetivo MELHORAR a
CONFORMABILIDADE a frio dos aços médio e alto C e MELHORAR
a USINABILIDADE de aços hipereutetóides e aços ferramentas.
Aços esferoidizados por operações de aquecimento e resfriamento
produzem estruturas de CARBONETOS GLOBULARES em matriz
ferrítica.
MÉTODOS
1.) Manutenção por tempo
prolongado à temperatura pouco
abaixo da crítica (≅ 40 horas);
2.) Aquecimento e resfriamento
alternantes entre 2 temperaturas acima
e abaixo da crítica ( ≅ 25 a 50°C);
Esferoidização
3.) Aquecer acima da temperatura para
dissolução dos carbonetos (Acm), seguido de
resfriamento rápido (para evitar formação de
rede de carbonetos) até temperatura pouco
abaixo de A1. Manter na
temperatura, conforme 1, ou seguir o 2.
Esferoidização
Microestruturas esferoidizadas de aços. As partículas pequenas são
cementita, a fase contínua é ferrita.
Recozimento para Homogeneização
A homogenização é um tipo de tratamento térmico de recozimento
normalmente realizado nos primeiros estágios do processamento à
quente dos aços (Laminação e Forjamento).
- realizada em altas temperaturas
austeníticas
- eliminação de segregações ou
gradientes de concentração química
produzidos no processo de solidificação
de um lingote;
- dissolução de partículas de segunda
fase
- a homogenização melhora a
trabalhabilidade à quente mas também
contribui para uniformidade do aço
quanto a recozimentos subsequentes ou
operações de endurecimento.
Recozimento Pleno ou Total
O objetivo é eliminar as heterogeneidades estruturais
(segregações, gradientes de concentração química) através
de uma repartição mais homogênea dos componentes
solúveis, por difusão.
O tratamento aplica-se a todas as ligas Fe-C e muitas ligas não-
ferrosas: Cu e suas ligas, ligas de Al, ligas de Mg, Ni e Ti.
Recozimento Pleno ou Total
Nos Aços:
No recozimento pleno, o aço geralmente é aquecido até a
AUSTENIZAÇÃO COMPLETA da estrutura, seguido de
RESFRIAMENTO LENTO em FORNO DESLIGADO.
Observa-se o crescimento do grão austenítico, austenita uniforme e
homogênea, melhor capacidade de trabalho mecânico e
comportamento uniforme do aço aos posteriores tratamentos
térmicos.
Recozimento pleno produz PERLITAS GROSSAS ou Grosseiras (PG),
resistência e dureza baixas e ductilidade elevada, boa
usinabilidade.
Recozimento Pleno ou Total
AQUECIMENTO ATÉ :
Para os aços hipoeutetóides ≅ 50°C acima de A3
Para os aços hipereutetóides ≅ 50°C acima de A1
Motivo: Não pode ultrapassar Acm porque no resfriamento ao
atravessar esta linha forma-se Cementita (Fe3C) agulhada (ou em
rede) nos contornos de grão da Austenita, fragilizando dessa forma
o aço.
Deve-se proteger as superfícies das peças de aço em meio sólido
ou gasoso para impedir que estas sejam afetadas por OXIDAÇÃO
ou DESCARNONETAÇÃO.
Os equipamentos de aquecimento (FORNOS) empregados podem
ser intermitentes ou contínuos.
Normalização
A normalização é um tratamento térmico que, similarmente ao
recozimento, produz uma microestrutura uniforme.
Tratamento aplica-se a todas as ligas Fe-C e não-ferrosas: Cu, Al, Mg,
Ni e Ti.
. A normalização em aço
hipoeutetóide é realizada a
temperaturas relativamente
maiores que aquelas utilizadas no
recozimento (acima de A3),
enquanto que nos aços
hipereutetóides a faixa de
temperatura de aquecimento está
acima de Acm (Não há formação
de um invólucro de carbonetos
frágeis devido a velocidade de
refriamento ser maior).
Normalização
Na normalização o aquecimento é seguido de resfriamento ao ar, ao
contrário do recozimento pleno que é mais lento por ser realizado no
forno.
A temperatura de austenitização um pouco maior usada na
normalização, quando comparada com a usada no recozimento dos
aços hipoeutetóides, em geral produz uma maior uniformidade na
estrutura austenítica e uma composição similar a do tratamento de
homogenização, embora em temperaturas menores e tempos mais
curtos.
Além disso, um outro objetivo principal da normalização é o refino do
tamanho de grão que frequentemente torna-se muito grosseiro
durante o trabalho a quente a elevadas temperaturas.
Normalização
Constituintes Estruturais resultantes
Hipoeutetóide ferrita + perlita fina
Eutetóide perlita fina
Hipereutetóide cementita + perlita fina
Em relação ao recozimento a microestrutura é mais fina, apresenta
menor quantidade e melhor distribuição de carbonetos
Têmpera e Revenido
O tratamento térmico, que consiste de têmpera e revenido é o mais
importante, possibilitando a obtenção de estruturas e propriedades
que permitem o emprego do aço em peças de maior responsabilidade
e em aplicações mais críticas.
Aços com teor de carbono menor de ~0,3 % não podem ser endurecidos
por têmpera com eficiência
A têmpera consiste:
- em resfriamento rápido a partir da temperatura de austenitização, em
um meio de grande capacidade de resfriamento.
- As temperaturas de austenitização coincidem com as temperaturas do
recozimento pleno.
O tempo da permanência na temperatura deve ser em torno de 1,2 min
para cada mm da espessura (em banho de sal ou de chumbo: 0,6
min /mm).
Velocidade crítica de resfriamento
A velocidade de resfriamento deve ser tal, que a curva de resfriamento
pelo menos tangencie o cotovelo ou joelho da curva de início da
transformação da austenita (de modo a evitar que esta se transforme
nos constituintes normais) e atinja as linhas horizontais
correspondentes à formação de martensita.
Essa velocidade de resfriamento é a velocidade crítica de resfriamento e
dependerá da posição das curvas TTT, ou seja do tipo do aço, e da
forma e dimensões das peças.
(De acordo com as dimensões das peças, pode se obter estruturas mistas,
pois é possível que o núcleo das peças não resfrie com velocidade
suficiente de modo a evitar a formação de alguma perlita.)
Meios de resfriamento na têmpera
Severidade da Têmpera: indica a taxa de resfriamento;
quanto mais rápido a têmpera, maior a severidade.
O resfriamento é tanto mais rápido (i.e., a taxa de
resfriamento |dT/dt| é tanto mais elevada): quanto mais
eficiente, do ponto de vista do escoamento do calor, for o
meio de resfriamento.
Para a severidade do meio são fatores importantes: a
condutividade térmica, a capacidade calorífica, a
temperatura e o grau de agitação do meio de
resfriamento.
Meios de resfriamento na têmpera
Por ordem decrescente de severidade podemos indicar:
água agitada, água em repouso, óleo, ar, resfriamento em forno.
Têmpera em óleo é bastante utilizada para tratamento térmico de
muitos aços. Para aços de alto teor de carbono, a têmpera em água é
muito severa podendo produzir trincas e empenamentos.
Já o resfriamento ao ar de aços carbono comuns produz uma
estrutura quase totalmente perlítica.
Meios de resfriamento na têmpera
A escolha do meio de resfriamento para a operação de têmpera
depende de:
a) dureza final desejada;
b) forma e dimensões das peças;
c) capacidade de endurecimento do aço.
Em princípio, quanto maior for a capacidade de resfriamento do meio,
maior a dureza final.
Contudo, velocidades muito drásticas, proporcionadas por meios de
grande capacidade de resfriamento, podem ser prejudiciais em
função das dimensões e formas das peças.
Meios de resfriamento na têmpera
Perfil radial de dureza
para:
(a) Amostras cilíndricas
de diâmetro 50 mm
dos aços 1040 e
4140 temperado em
água e
(b) amostras cilíndricas
de diâmetros 50 e
100 mm do aço 4140
temperados em água.
Aquecimento
Aquecimento
Evitar tensões residuais
É necessário garantir um aquecimento uniforme ao longo de toda a
peça para reduzir as tensões internas (devidas a gradientes
térmicos) e consequentes deformações.
Aquecimento
Aquecimento
Evitar oxidação superficial
Devido à atmosfera oxidante do forno, pode haver oxidação do Fe e C:
Se o Fe oxidar, a peça fica com uma película de óxidos fácil de detectar e de remover.
Se o C oxidar, não se consegue detectar o problema. Mas o aço fica descarbonetado e a sua dureza superficial inferior ao esperado.
Solução:
Potencial de carbono da atmosfera = teor em carbono do aço:
caixas de proteção com coque queimado, limalha de ferro fundido
fornos de atmosfera controlada
Temperatura de Austenitização
Temperatura
Aços hipo: Ac3+ 50ºC
Aços hiper: Ac1+ 50ºC
Ac3 ou Ac1 podem ser
determinadas através de:
• Diagrama de equilíbrio
• Curvas dilatométricas
• Fórmulas empíricas
• Diagramas TI ou TC
Nota: Para aços com elementos de liga que formam carbonetos estáveis (ex: aços rápidos) deve-se elevar a temperatura acima de Acm (~300ºC) para dissolvê-los e enriquecer a austenita em carbono.
Tempo na Temperatura de Austenitização
O tempo na temperatura de austenitização depende da dimensão e da composição química:
aços s/ liga ou de pouca liga: 5 min / 10 mm de espessura
aços c/ média liga: 7 min / 10 mm de espessura
aços de muita liga: 10 min / 10 mm de espessura
O tamanho de grão da austenita, que dita os resultados da têmpera, depende fundamentalmente da temperatura mas também do tempo.
Deve-se evitar tamanho de grão da austenita muito grande porque:
Diminui a tenacidade
Gera tensões residuais
É mais fácil de empenar
É mais fácil de ocorrer fissuras
A formação e as propriedades da martensita
O resfriamento rápido em aços pode conduzir à formação de uma fase não
prevista no diagrama de equilíbrio: a martensita.
Microestrutura da martensita
(aço AISI 8620) Martensita
Martensita
A martensita é uma solução sólida supersaturada de C no Fe de rede
cristalina cúbica de corpo centrado ou de Fe de rede cristalina
tetragonal de corpo centrado.
A rede cristalina do ferro estará necessariamente distorcida em escala
atômica.
Martensita
A transformação martensítica ocorre sem difusão, começando a uma
temperatura fixa, para cada aço, designada por Ms (martensite
start). Ms diminui com o aumento do teor em carbono de um aço.
A temperatura abaixo da qual não ocorre mais transformação
martensítica designa-se por Mf (martensite finish).
Transformação Martensítica
As transformações martensíticas não são exclusivas dos aços; outros
sistemas também são susceptíveis de sofrer esse tipo de
tranformação.
Durante a transformação martensítica as placas da fase nova surgem
ao longo de planos possíveis de deslizamento. As mudanças
cristalográficas, que ocorrem durante a transformação resultam
nas suas propriedades únicas. A martensita transfere sua elevada
dureza e grande fragilidade ao aço temperado.
Martensita
Quando não se transformou toda austenita em martensita na
microestrutura do material observa-se a presença da austenita
retida.
Microestrutura mista de martensita (escura) e
austenita retida (clara- marcada com flechas)
Martensita
A dureza da martensita aumenta com o teor do carbono no aço. Os
aços de alto carbono (a partir de 0,7 %) mostram uma tendência a
reter a austenita, o que diminui a dureza.
A dureza do aço depende do teor do carbono e da
porcentagem da martensita obtida durante a têmpera
Revenido
Depois da têmpera o aço tem:
Resistência e dureza elevadas
Alongamento (%) e tenacidade ao choque (K) baixas
Muitas tensões internas.
O revenido, portanto, tem como objetivo:
- Alivíar ou remover tensões
- Corrigir a dureza e a fragilidade,
- Aumentar a dutilidade e a tenacidade
Revenido
Após a têmpera e homogeneização da temperatura, o aço é colocado
durante um certo período de tempo a uma temperatura abaixo da
temperatura eutetóide, seguido de resfriamento ao ar.
Revenido O revenido provoca uma evolução do material para um estado mais
próximo do estado de equilíbrio sem atingí-lo completamente. Durante o revenido ocorrem transformações na microstrutura do aço,
induzidas por difusão: - decomposição da martensita - formação de precipitados de carbonetos.
As propriedades mecânicas obtidas no revenido dependem das transformações dos constituintes obtidos depois da têmpera.
A ferrita, a perlita e a bainita que estão relativamente próximas do estado de equilíbrio praticamente não se alteram.
A martensita e a austenita residual, nitidamente fora de equilíbrio, é que vão transformar-se, sendo responsáveis pelas alterações significativas das propriedades mecânicas.
Revenido
Efeito da temperatura de
revenido nas propriedades
mecânicas de uma barra de
aço 4340 temperado em óleo.
REVENIDO
150- 230°C os carbonetos começam a precipitar
Estrutura: martensita revenida
(escura, preta)
Dureza: 65 RC 60-63 RC
230-400°C os carbonetos continuam a precipitar em forma
globular (invisível ao microscópio)
Estrutura: TROOSTITA
Dureza: 62 RC 50 RC
REVENIDO
400- 500°C os carbonetos crescem em glóbulos,
visíveis ao microscópio
Estrutura: SORBITA
Dureza: 20-45 RC
650-738°C os carbonetos formam partículas globulares
Estrutura: ESFEROIDITA
Dureza: <20 RC
Mudanças durante o revenido
Troostita: agregado escuro; há
precipitação de carbonetos finos
Sorbita: partículas de cementita
precipitadas, as quais ficam
perfeitamente visíveis numa matriz
ferrítica.
Mudanças durante o revenido
Transformação da austenita residual
Para os aços muito ligados e com muito carbono, outro fenômeno pode ocorrer:
ente 500~600ºC a austenita residual que está super-saturada em C fica mais
pobre em C.
O ponto Ms sobe e no resfriamento a γr→M, chamada martensita secundária.
Os tratamentos isotérmicos são baseados no conhecimento das
curvas TTT. São conduzidos de tal maneira que as
transformações de fases se realizam a uma temperatura
constante
O procedimento consiste dos seguintes estágios:
resfriamento rápido da temperatura de austenitização em um
meio líquido aquecido (óleo quente, banho de sal fundido, metal
fundido, leito fluidizado) a uma temperatura acima da temperatura
do início da formação de martensita (Ms)
manutenção nesta temperatura até a obtenção da uniformidade
da temperatura da peça ao longo da sua seção transversal
resfriamento a uma taxa moderada (ao ar), para evitar grandes
diferenças de temperatura entre a superfície e o centro da peça.
A formação da martensita ocorre uniformemente na seção inteira
durante o resfriamento até a temperatura ambiente. A
microestrutura depois da martêmpera é então essencialmente
martensita, que é frágil para a maioria de aplicações. Por isso o
material tratado termicamente pela martêmpera exige um
revenido como o material após uma têmpera convencional
A vantagem da martêmpera é que não se produz uma grande diferença
de temperatura entre a superfície e o centro da peça, de modo que a
formação da martensita ocorre a uma velocidade uniforme através de
toda a seção do aço; eliminando-se, assim, praticamente todas as
tensões residuais, o empenamento e as fissuras de têmpera.
Utiliza-se para peças propensas a sofrerem empenamentos e que
necessitam das mesmas propriedades alcançáveis pela têmpera
seguida de revenimento.
Os meios de resfriamento mais usados para a martêmpera são:
óleo quente - com temperatura até 205°C (martêmpera padrão)
- com temperatura até 175°C ( martêmpera
modificada)
sais fundidos – na faixa de temperaturas entre 160 e 400°C.
Os aços liga são mais adequados para martêmpera do que os aços
carbono.
Austêmpera
Tratamento isotérmico composto de aquecimento até a temperatura de
austenitização, permanência nesta temperatura até completa
equalização, resfriamento rápido até a uma temperatura
constante, acima de Ms, promovendo-se a transformação completa
da austenita em bainita, seguindo-se um resfriameto ao ar.
Aços para austêmpera
A seleção dos aços para austêmpera deve ser baseada nas curvas
TTT, especialmente no tempo necessário apara a transformação
bainítica, e na posição da temperatura de início de transformação
martensítica.
Os aços mais usados são: aços carbono com 0,5 –1,0%C (min
0,6%Mn), aços alto carbono com menor teor de Mn (0,9 %C), alguns
aços baixa liga com teor de carbono acima de 0,3%.
As vantagens da austêmpera
(1) menos distorção e trincamento do que na martêmpera,
(2) não precisa de têmpera final (consome menos tempo e melhor
eficiência de uso de energia)
(3) melhoria da tenacidade (maior energia de impacto do que a Têmpera e
revenido clássico)
(4) melhor ductilidade
(5) ciclo mais curto para peças que exigem dureza na faixa 35-55 HRC
com economia nos custos de energia e investimentos.
As limitações da austêmpera
A austêmpera pode se aplicar só em casos, onde a transformação em
perlita pode ser evitada. Isso significa que a secção inteira deve ser
resfriada com suficiente rapidez. Isso limita que nas aplicações industriais
não se empregam seções mais grossas do que ½ polegada. A espessura
pode ser aumentada em caso de aços ligados, mas por outro lado o tempo
de transformação para bainita pode demorar muito.
Nem sempre é necessário se obter elevada dureza à
máxima profundidade
Para muitas aplicações a dureza superficial adequada,
abrangendo camadas superficiais relativamente finas é
mais do que suficiente.
Métodos de endurecimento superficial são mais
econômicos.
TRATAMENTOS SUPERFICIAIS
O objetivo dos tratamentos superficiais é realçar as propriedades de superfície
para atender requisitos específicos, enquanto o interior da peça mantém suas
propriedades estruturais.
Os tratamentos de endurecimento superficial podem ser divididos em dois grupos:
Têmpera superficial: possibilitam um endurecimento somente devido ao
aquecimento localizado da superfície, através de transformações de fase
termicamente induzidas.
- por chama
- indução
- feixe de elétrons
- por laser
Tratamentos termo-químicos: envolvem alterações na composição da
camada superficial
- cementação
- nitretação
TRATAMENTOS SUPERFICIAIS
Têmpera Superficial
O procedimento da têmpera superficial consiste em aquecer-se a superfície do aço rapidamente, de modo que atinja a zona austenítica, até uma certa profundidade, seguindo-se resfriamento rápido. Desse modo, somente uma camada superficial, de espessura que pode ser determinada com alguma segurança, ficará temperada e adquirirá a estrutura martensítica. Abaixo dessa camada o aço permanece na sua condição original de estrutura recozida ou, eventualmente, normalizada, com uma zona de transição.
Vantagens: endurecimento apenas em seções críticas das peças, como dentes de engrenagens, guias de máquinas operatrizes, etc; menores riscos de empenamento e fissuras durante o resfriamento; utilização de aços de menor custo, como os aços C; menor investimento em equipamentos.
Os aços mais comumente usados na têmpera superficial são aços carbono com teor de carbono acima de 0,35 % ou aços liga com baixos teores de elementos de liga.
Os dois principais processo de têmpera superficial são:
- têmpera por chama
- têmpera por indução
Têmpera por chama
Este é o processo mais antigo. Utiliza-se uma chama de oxi-
acetileno e um jato de água na forma de borrifo.
Gás Combustível Água
Chama Água
Zona Endurecida Martensita Aço
Temperatura
~ 3000°C
A temperatura para atingir a zona austenítica depende do teor de C. Quanto
mais baixo o carbono, maior a temperatura: 850 a 875°C para aços com
0,6% C; 900 a 975°C para aços com 0,3% C.
O sistema mais simples é o de um dispositivo semelhante a um torno
onde as peças de seção circular uniforme seriam colocadas entre as
pontas do mesmo, girando a uma velocidade periférica determinada,
com a torcha de oxi-acetileno e o bocal de água colocados no carro. A
torcha deve ser dimensionada de acordo com a área a ser aquecida de
uma só vez. A chama aquece sucessivamente a peça em rotação,
seguindo-se imediatamente o resfriamento pela água.
O processo de têmpera por chama é mais adequado para aços com
médio teor de carbono (na faixa de 0,4 –0,6 %C).
Quanto menor o tempo do tratamento, menor a profundidade de
penetração (10 a 12 s). A profundidade do endurecimento pode ser
aumentada com o prolongamento do aquecimento; neste caso mais
suave é o gradiente de dureza da superfície para o centro. Pode ser
obtida uma profundidade até cerca de 6,5 mm.
Peças grandes que não cabem nos fornos também podem ser tratados
com a têmpera por chama.
A têmpera por chama pode ser conduzida manualmente ou no modo
automatizado. O equipamento automático produz resultados
uniformes. Os equipamentos automáticos tem velocidades variáveis e
podem ser adaptados para peças de diferentes tamanhos e formas. A
forma e o tamanho da torcha depende também da forma e tamanho da
peça tratada.
Têmpera por indução
Neste processo, o calor superficial é produzido por indução
eletromagnética, mediante o emprego de bobinas de cobre que
envolvem a peça.
Uma corrente alternada flui a partir do conversor através do indutor
ou bobina de trabalho e produz um campo magnético altamente
concentrado.
A voltagem induzida na peça provoca um fluxo de corrente. O
aquecimento é causado devido à resistência da peça ao fluxo da
corrente induzida.
Correntes de alta freqüência são utilizadas quando se deseja camadas
endurecidas finas e freqüências intermediárias ou baixas quando as
camadas devem ser mais espessas
A espessura da camada endurecida depende da forma da bobina, do espaço
entre a bobina de indução e a superfície da peça, da taxa de alimentação da
força, da freqüência e do tempo de aquecimento.
A alta velocidade aquecimento da superfície –a alta velocidade da têmpera –
ajuda evitar a distorção dimensional causada pelas tensões internas. O centro
da peça mantém sua propriedades iniciais. Este fato possibilita a substituição de
aços liga por aços carbono tratados por este método de endurecimento
superficial. A têmpera superficial é aplicada para aços liga somente nos casos
quando se exige alta resistência mecânica do centro da peça.
Bobinas de indução de alta frequência, constituídos de tubos de cobre comercial,
no interior dos quais flui água para seu resfriamento. Os diâmetros desses tubos
variam de 1/8’’ para baixa potência a 3/16’’ para unidades de 20 a 50 kW.
Tratamento térmico por feixe de elétrons
O tratamento térmico por feixe de elétrons é um processo seletivo de
endurecimento, em que a superfície de uma liga de ferro endurecível é aquecida
rapidamente acima da temperatura de transformação da liga, através do
bombardeamento ou colisão direta de uma corrente de elétrons acelerados.
No final do ciclo de aquecimento, entre 0,5 e 2,5 s, o fluxo de elétrons é parado
inesperadamente para permitir que a região trabalhada resfrie, formando uma
estrutura martensítica.
No tratamento térmico com feixe de elétrons, um feixe altamente concentrado de
elétrons, com alta velocidade é usado para áreas de aquecimento seletivo. O feixe
é extremamente energizado pela aceleração entre os catodos e os anodos. O feixe
concentrado é controlado através de uma bobina de foco.
Durante o tratamento na câmara é necessário manter alto vácuo ( 10-2 torr), para
possibilitar a emissão e aceleração dos elétrons, bem como proteger o emissor das
oxidações.
No tratamento térmico por feixe de elétrons a energia cinética dos elétrons é
transformada para o aquecimento da peça no momento do impacto dos elétrons
na superfície da mesma. Com a ajuda de oscilação de alta velocidade e com o
controle digital o feixe de elétrons pode varrer a superfície de forma
determinada possibilitando endurecimento superficial em áreas minúsculas e
em peças com paredes finas e em peças com formas complexas.
Equipamento de tratamento por feixe de elétrons com controle digital
Tratamento térmico por LASER
O endurecimento superficial por laser utiliza um feixe de laser de alta
energia e bem definido como fonte de calor. Quando o feixe de laser
atinge a superfície, parte da energia é absorvida na forma de calor. Se a
densidade da força do feixe de laser é suficientemente alta, o calor pode
ser gerado na superfície mais rapidamente do que a condução de calor ao
interior pode removê-lo, e a temperatura na camada de superfície
aumentará rapidamente.
Em um tempo muito curto, uma camada fina
da superfície terá alcançado a temperatura
de austenitização, enquanto o interior do
componente ou da peça estará frio. A
concentração da energia é tipicamente entre
1000 e 2000 W/cm2 e o gradiente da
temperatura obtido 500°C/mm.
Movendo o feixe de laser sobre a superfície do componente ou peça, um ponto na
superfície dentro do trajeto do feixe é aquecido rapidamente enquanto o feixe
passa.
Esta área é subseqüentemente resfriada rapidamente pela condução do calor ao
interior depois que o feixe passou.
Selecionando a força de densidade e a velocidade correta do ponto do laser, o
material pode endurecer até a profundidade desejada. Esta profundidade
resultante depende da resposta ao endurecimento do material, mas será
raramente maior do que 2,5 mm. Para aço de baixo carbono a profundidade é
menor, em torno de 0,25, para aço de médio carbono em torno de 1,3 mm.
Para formar uma camada superficial de martensita, o metal deve ser aquecido a
~900°C ( em caso de aços – liga até temperaturas mais altas).
TRATAMENTOS
SUPERFICIAIS
Os tratamentos termo-químicos também visam o endurecimento superficial
dos aços.
Neste caso, o endurecimento da superfície não resulta de uma simples
transformação da austenita em martensita. Ocorrem reações químicas entre
elementos contidos no ambiente onde os tratamentos são executados e os
elementos do aço. Esses meios podem ser sólidos, líquidos ou gasosos.
CEMENTAÇÃO
Processo clássico, mais conhecido e aplicado, porque permite o emprego dos
três meios citados.
Na cementação (ou carburização), o elemento fundamental é o carbono, na
forma de carvão, monóxido de carbono ou contido em banhos de cianeto.
Os aços a serem cementados devem possuir carbono baixo, de modo que,
quando aquecidos a elevadas temperaturas (de austenitização), na presença de
um meio carbonetante, o carbono desse meio reage com o ferro do aço, de
acordo com a reação:
C + 3 Fe → Fe3C
A superfície do aço fica endurecida de
carbono, até profundidade que pode ser pre-
estabelecida, permitindo a têmpera posterior.
Os processos usuais de cementação
permitem elevar o teor de carbono da
superfície do aço a valores da ordem de 0,8
a 1%.
CEMENTAÇÃO
A profundidade de cementação depende da temperatura e do tempo à
temperatura, pois tanto temperaturas mais elevadas como tempos mais longos
facilitam a difusão do carbono para o interior do aço.
No entanto, temperaturas elevadas podem levar a excessivo crescimento de grão,
o que pode ser atenuado pela adição de elementos de liga inibidores do
crescimento de grão, como Al, Ti ou Nb.
Outros fatores, além da temperatura e do tempo, influem na velocidade de
enriquecimento superficial de carbono:
-Teor inicial de carbono do aço, o qual quanto menor, maior a velocidade de
carbonetação
- Coeficiente de difusão do carbono no aço.
- Natureza do agente carbonetante (CO e CH4). O poder carbonetante destes
gases difere pouco na prática.
- Velocidade de fluxo de gás que pode influir na velocidade de reação da
superfície e pode ocasionar a formação de excessiva quantidade de carbono livre,
na forma de fuligem, na superfície do aço, provocando perda de controle do
potencial de carbono e cementação pouco uniforme.
CEMENTAÇÃO
Aços para cementar
Primeiro requisito é baixo carbono, geralmente se usam aços com teor de carbono
até 0,2%, porque a difusão de carbono é mais rápida e porque núcleo de baixo
carbono significa tenacidade e resistência ao choque.
O aço deve ter um baixo teor de manganês (menos de 0,4%), porque esse
elemento atribui uma característica de fragilidade na camada cementada. O
alumínio, vanádio e silício também devem ser encontrados em baixa quantidade
pois podem provocar a grafitização do carbono. O níquel é utilizado em teores de
até 5% para aumentar a temperabilidade. O cromo aumenta a velocidade de
cementação.
Os aços para cementação devem possuir preferivelmente uma granulação fina
que exigem normalmente uma única operação de têmpera que pode ser realizada
diretamente da temperatura de cementação.
CEMENTAÇÃO EM CAIXA
A cementação foi primeiramente realizada utilizando-se o método "cementação
em caixa" (pack), onde as peças eram seladas em uma caixa metálica
resistente ao calor preenchida com misturas carburizantes.
A mistura mais usada é formada por carvão vegetal e/ou coque com a adição
de 5-10% de catalisador (BaCO3 ou Na2Co3) e aglomerador ( 5-10 % de óleo
de linhaça) para formar peletes. Em temperaturas elevadas o monóxido de
carbono liberado pelo material fornece o carbono para o aço:
C + O2 → CO2
C + CO2 → 2CO
2CO + 3Fe → Fe3C + CO2
C + CO2 → 2CO
A reação entre o CO e Fe depende da relação CO : CO2. A cementação ocorre
por absorção e difusão do carbono pela parte metálica. Quanto mais alta a
temperatura, mais rápido ocorrerá o fenômeno da cementação (temperatura na
faixa de 900ºC a 950ºC). Na cementação em caixa a relação CO : CO2 para o
aumento do teor de carbono é melhorada pela adição de catalizadores
(carbonato de bário).
CEMENTAÇÃO EM CAIXA
O cemento é formado por uma camada bem socada de aproximadamente 2 cm
de espessura no fundo da caixa. Sobre essa camada são colocadas as peças a
serem cementadas com uma distância de 2 cm entre elas. Cobrem-se as peças
com uma camada da mesma espessura de cemento socado. Tampa-se a caixa
com uma tampa e leva-se ao forno ( de 850ºC a 1000ºC). Deixa-se no forno o
tempo necessário para se obter a espessura da camada cementada que se
deseja.
Alguns incovenientes da cementação em caixa são:
- não é possível a têmpera direta, consumo mais elevado de energia
(aquecendo as caixas),
- necessita de muita mão de obra para preencher a caixa,
- irregularidades de distribuição da temperatura.
As vantagens incluem a simplicidade e a aplicação econômica para lotes
pequenos e peças grandes, possibilidade de usinagem após a cementação.
CEMENTAÇÃO GASOSA
Na cementação gasosa a camada superficial da peça é envolvida em um meio
gasoso, e aquecida durante um certo tempo a uma determinada temperatura.
A temperatura permite a transferência dos átomos de carbono para a superfície
da peça, que é processada por reações químicas. Dá-se ainda a difusão do
carbono para o interior da peça, que consiste, portanto, numa migração dos
átomos de carbono.
Os agentes carbonetantes são monóxido de carbono CO e os gases metano
CH4, etano C2H6 e propano C3H6. As reações que produzem carbono para
cementação podem ser resumidas:
CO + H2 (C) + H2O
2CO (C) + CO2
CH4 → (C) + 2 H2
C2H6 (C) + xCH4 + yH2
C3H8 (C) + xC2H6 + yC2H4 + 2 H2
CEMENTAÇÃO GASOSA
Os gases mais empregados são gás natural, gás fabricado e propano.
Uma prática comercial é utilizar um gás endotérmico, contendo cerca de 40%
de N2, 21% de CO e 39% de H2 enriquecido com um dos gases derivados de
hidrocarbonetos.
O emprego dos hidrocarbonetos puros causam um depósito de fuligem que
atrasam a reação de cementação e é por isso que se utilizam gases diluentes
como o hidrogênio, nitrogênio, etc. O teor de metano após a adição ao gás
endotérmico é tipicamente em torno de 1%.
O sucesso da cementação a gás depende de três variáveis principais:
temperatura, tempo e composição da atmosfera.
CEMENTAÇÃO GASOSA
Temperatura. O enriquecimento da superfície do aço é limitado pela taxa de
difusão do carbono na austenita, esta taxa cresce com o aumento da
temperatura. Essa temperatura garante um processo suficientemente rápido
sem a deterioração exagerada do equipamento usado. É importante a
uniformidade da temperatura na peça inteira para garantir uma camada de
difusão uniforme. A uniformidade da temperatura pode ser obtida
primeiramente com um controle cuidadoso dos parâmetros do aquecimento e
permanência no forno.
Tempo. A espessura da camada cementada depende tanto da temperatura
como do tempo. A formula de Harris possibilita o cálculo da espessura da
camada cementada em função da temperatura e do tempo:
E.C.C. = 660.e-8287/T. t 1/2,
onde: ECC – espessura da camada cementada em mm,
T - temperatura em Kelvins,
t – tempo em horas.
CEMENTAÇÃO GASOSA
Em caso de peças grandes o tempo de aquecimento pode representar uma
porção significante do tempo do processo. Deve-se levar em consideração o
tempo necessário para o resfriamento a partir da temperatura de cementação
para a temperatura de têmpera que é mais baixa : 845°C. Durante este
resfriamento o crescimento da camada continua, mas com uma taxa mais
baixa. Caso isso não seja desejado é possível mudar a composição da
atmosfera diminuindo o seu potencial de carbono.
Composição da atmosfera. A eficiência da atmosfera é dada pelo potencial de
carbono, que depende da taxa de adição do metano ao gás endotérmico, e
também da taxa do fluxo do próprio gás endotérmico. O acompanhamento da
composição da atmosfera se realiza pela medida do teor de dióxido de
carbono e do vapor de água, que fornecem uma informação sobre o potencial
de carbono.
CEMENTAÇÃO GASOSA
O processo de cementação a gás é mais oneroso e exige controle mais
rigoroso que a cementação sólida.
Algumas vantagens desse processo:
-Permite a cementação de peças mais delicadas, além de ter o teor de
carbono e espessura da camada cementada mais uniforme.
- Permite têmpera direta
- Apresenta maior velocidade de penetração de carbono
- Previne a oxidação das peças, pois os gases empregados são protetores
Algumas desvantagens:
- dificuldade de controle da atmosfera dentro de certos limites,
- mão de obra mais especializada.
CEMENTAÇÃO LÍQUIDA
Neste processo o meio carburizante é um sal a base de cianeto (NaCN).
Outros constituintes são: BaCl2, KCl, NaCl.
Esse banhos podem ser ativados por adição de carbono, grafite e fluoretos,
óxido de boro, MnO2. A composição dos banhos usados depende da
temperatura da cementação, que neste caso pode ser em duas faixas: 840-
900°C – para camadas mais finas e de 900-950°C para camadas mais
grossas (0,5-3mm).
As reações são complexas, alguns parciais :
2NaCN + BaCl2 → 2NaCl + Ba(CN)2
Ba(CN)2 + Fe → (C) + BaCN2
2CO + Fe C (no Fe) + C O2
Fe +C → C (no Fe)
A cementação líquida é feita em fornos de banho de sal.
CEMENTAÇÃO LÍQUIDA
Após o processo do banho, mergulha-se a peça em óleo para evitar oxidação.
Vantagens do processo:
- economia do tempo de aquecimento,
- distribuição uniforme da temperatura,
- as peças podem ser retiradas do banho e serem temperadas imediatamente.
Desvantagens do processo:
- alto custo dos sais,
- perigo no manuseio das peças.
Como alternativa existe a possibilidade de cementação em líquido sem
cianeto, neste caso a mistura de sais é formada por carbonetos de metais
alcalinos com carbono finamente disperso no banho. As temperaturas
empregadas são na faixa de 900 –950°C.
NITRETAÇÃO
O raio atômico do nitrogênio é 50% do raio atômico do ferro e em torno de 8%
menor do que o raio atômico do carbono. Isso possibilita a inclusão do
nitrogênio atômico na posição intersticial da rede cristalina do ferro.
Nitretação é um tratamento termoquímico superficial onde o nitrogênio é
introduzido na fase α (ferrita) em temperaturas entre 500 – 570 °C (o
nitrogênio apresenta maior solubilidade do que o carbono).
Consequentemente, não ocorre mudança de fase quando o aço é resfriado até
a temperatura ambiente.
Objetivo: Aumentar a dureza e a resistência ao desgaste mantendo o núcleo
dútil e tenaz.
NITRETAÇÃO
Propriedades dos aços Nitretados
Alta dureza superficial com aumento da resistência ao desgaste e com
pouco risco de descamação.
Alta resistência à fadiga –formação de forças compressíveis na superfície
do aço.
Melhora da resistência à corrosão em aços não inoxidáveis.
Elevada estabilidade dimensional.
Sem risco de empenamento.
NITRETAÇÃO
Temperatura de Nitretação: 500 –570°C
limite superior –pré-requisito para que não ocorra transformação de fase
limite inferior –requerimento para que ocorra dissociação da amônia
Reação de Nitretação: Amônia em contato com a superfície aquecida do aço
se dissocia:
2NH3 2NFe + 3 H2
O nitrogênio na forma atômica pode ser absorvido pelo aço. Na superfície ao
atingir um determinado nível de saturação de nitrogênio, nitretos são
formados através do mecanismo de nucleação e crescimento.
O nitrogênio forma nitretos com os elementos como alumínio, silício titânio,
vanádio, cromo, molibdênio e ferro. Os nitretos são fases duras e
precipitam na matriz de ferro resultando em alta dureza.
NITRETAÇÃO
Aços que contem estes elementos de liga são usados para a nitretação:
aços baixa liga com alumínio (0,24-0,42 % de C, 1 % de Al)
aços de baixa liga de médio carbono que contém cromo
aços para ferramentas de trabalho ao quente com 5% de cromo
alguns aços inox ferríticos, martensíticos e austeníticos
aços inox endurecíveis por precipitação.
NITRETAÇÃO GASOSA
É o mais clássico dos processos de nitretação.
Reação – em contato com o aço a amônia se dissocia liberando nitrogênio
atômico, que pode ser absorvido pelo aço e dissolvido intersticialmente no
Fe.
2NH3 → 2N + 3H2
Microestrutura do aço AISI 1015
Nitretação gasosa
Quando a superfície atinge um
determinado nível de saturação, nitretos
são formados através do mecanismo de
nucleação e crescimento, requerendo um
determinado tempo de incubação.
A difusão do nitrogênio na nitretação é
lenta e em geral no processo industrial
exige tempos entre 48 e 72 horas. Mesmo
com tempos longos a espessura da
camada nitretada dificilmente ultrapassa
0,8mm.
NITRETAÇÃO GASOSA
As peças devem ser limpas (sem óleo e oxidação) colocadas em caixas
especiais, feitas de níquel e cromo. O processo de nitretação a gás pode
ser realizada em estágio único ou em estágio duplo. Em estágio único a
carga de forno é aquecida na faixa de 495-525 °C com uma taxa de
dissociação da amônia entre 15 e 30%. Neste processo forma-se na
superfície a camada branca dura e frágil.
O processo de estágio duplo resulta em camada branca reduzida. No
primeiro estágio deste processo os parâmetros são idênticos ao processo
anterior exceto pelo tempo, que é mais curto. No segundo estágio o que
muda é a taxa de dissociação da amônia, elevada para a faixa entre 65 e
85% . A temperatura pode ser mantida como no primeiro estágio ou pode
ser ligeiramente elevada para a faixa entre 550 e 565 °C.
Antes da nitretação é feito um tratamento térmico de têmpera para que seja
obtida boas propriedades no núcleo da peça. A dureza superficial obtida na
têmpera não influencia o tratamento da nitretação. Em alguns aços
adiciona-se níquel para dar mais ductilidade ao núcleo.
NITRETAÇÃO LÍQUIDA
Neste processo o meio nitretante é uma mistura de sais fundidos. O banho de
sais comercialmente mais empregado consiste de uma mistura de sais de
sódio (60-75%) e sais de potássio (30-40%). O principal constituinte nos
sais de sódio é o NaCN com adição de pequenas quantidade de Na2CO3 e
NaCNO. Nos sais de potássio o KCN, K2CO3 e KCNO são representados
na mesma proporção.
A temperatura do processo é praticamente igual à temperatura da nitretação a
gás, os tempos são freqüentemente menores. À temperatura da nitretação
carbono e nitrogênio paralelamente são liberados no banho de sais, porém,
somente o nitrogênio é suficientemente ativo a essa temperatura para
difundir no ferro formando nitretos. O processo da nitretação líquida pode
ser acelerada pela introdução de amônia sob pressão no banho de cianeto-
cianato, resultando em tempos médios nitretação de 24 horas. Outra
possibilidade é bombeamento de ar através do banho de sal, estimulando a
atividade química pela agitação do banho.
NITRETAÇÃO IÔNICA OU POR PLASMA
A nitretação iônica é uma técnica muito utilizada no endurecimento superficial
de aços. Ela vem substituindo, com grandes vantagens, técnicas convencionais
de nitretação como a nitretação gasosa e a nitretação em banho de sais.
A técnica se baseia na interação do plasma com a superfície da peça que se
deseja nitretar. Um reator hermeticamente fechado, possuindo em seu interior
dois eletrodos, é interligado a uma fonte de tensão d.c. e a um sistema de
vácuo. Entre os dois eletrodos é aplicada uma diferença de potencial
necessária para gerar plasma (entre 350V-600V). Devido a esta diferença de
potencial, elétrons livres são acelerados, colidem com os átomos neutros do
gás nitretante, ionizando-os ou excitando-os, formando assim o plasma.
A peça a ser nitretada, fixada no ânodo, é revestida pelo plasma.
Íons presentes no plasma bombardeiam a superfície da peça, arrancando
átomos que reagem com as espécies ativas do plasma e, os produtos dessas
reações, são redepositados.
A Camada Nitretada
Duas zonas distintas são formadas durante o processo da nitretação.
Uma zona mais externa, que consiste de nitretos ε – Fe2-3(N,C) e/ou '-Fe4N,
denominada de zona de compostos (ou camada branca) e
outra mais interna, consistindo de uma solução sólida de nitrogênio na matriz
e precipitados dispersos coerentes ou semi-coerentes, denominada de zona
de difusão.
A Camada Nitretada
Enquanto a zona de compostos forma nitretos muito duros e frágeis, a zona de
difusão forma uma região de dureza intermediária que suavizará o perfil de
dureza com o substrato.
Assim, dependendo da aplicação, tanto as fases superficiais (zona de
compostos) como a relação entre as duas zonas podem ser modificadas.
A zona de compostos garante alta resistência à corrosão. Por outro lado,
zonas de compostos mais espessos do que 20 micrometros podem se
destacar da superfície.
A espessura, o perfil da dureza e a
composição da camada nitretada
dependem além dos parâmetros do
processo usado também da composição
do material nitretado.
Processo Vantagens/Desvantagens
Nitretação líquida
Transferência rápida do calor
Baixo custo
Grande quantidade de poluentes
Baixa eficiência
Nitretação a gás
Baixo custo
Dificuldades no controle do
processo
Nitretação iônica
Bom controle da camada branca
Endurecimento uniforme
Ciclo mais curto
Alto custo
Comparação dos processos industriais de nitretação
Bibliografia:
W. D. Callister Jr., Ciência e Engenharia de Materiais: uma
Introdução. LTC Editora, Rio de Janeiro (2002).
V. Chiaverini, Tratamentos Térmicos das Ligas Ferrosas,
ABM (1987).
ASM Handbook Heat Treating, vol. 4, ASM International.
D. R. Askeland, P.P. Phulé, Ciência e Engenahria dos
Materiais, Cengage Learning, 2008.