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Divisão Metalurgia / Tratamento Térmico

AÇOS: COMO TRATAR BEM

            Quando é preciso  modificar as propriedades  dos aços, para atender exigências  de utilização e usinagem, deve-se submete-los  a tratamentos, que  podem ser térmicos ou termoquímicos.

            O tratamento térmico é a aplicação combinada de aquecimento e  resfriamento, em determinado período de tempo. Segundo a aplicação , classificam-se em: Normalização, Recozimento, Têmpera e Revenido.

            O tratamento termoquímico provoca modificação parcial da composição química, através da absorção de  alguns elementos como o carbono, nitrogênio e cianetos, normalmente acompanhada de tratamento térmico.

    Normalização

            A principal finalidade da normalização é conseguir a melhoria das condições de usinabilidade do aço.  Ela funciona como agente que homogeiniza a estrutura cristalina, eliminando os pontos críticos resultantes de trabalhos anteriores. A normalização também prepara o material p[ara outros tipos de tratamento térmico.

            Não se deve analisar apenas a dureza do material para saber se a normalização dará usinagem eficiente. A estrutura do material após normalização é que na verdade possibilita a idéia exata das condições da peça para as operações seguintes. Nos aços normalmente usados (S.A.E. 1020 a 1080, 8620,8630,4140,4320,4340, 5130,5135 ), essa estrutura é constituída de perlita e ferrita, que devem estar:

    Variáveis

   Para atingir os cinco pontos apresentados, deve-se controlar as seguintes variáveis:

            Nota-se facilmente que o terceiro item é mais difícil de controlar, porque é comum colocar-se amontoadas, no chão ou em recepientes, as peças que receberam normalização,  ocasionando diferente velocidade de  esfriamento para cada peça e originando um lote bastante hetrogêneo.

            Se quiser melhorar a situação, empregue câmaras na saída do forno ou vasilhames forrados e tampados  com material isolante ( amianto,por exemplo ).

    Normalização isotérmica

             Durante o resfriamento é que a  estrutura do material se transforma  de austenita em ferrita e perlita. Se der tempo suficiente, a transformação se realizará numa única temperatura.

            Nos aços mencionados como  de uso normal, esta temperatura de  transformação oscila entre 580ºC e 650ºC. O menor tempo de transformação ( tirado das curvas s) está entre 2 a 4 horas. Como a temperatura de austenitização situa-se em torno de 900ºC, convém esfriar rapidamente o material até 600ºC para que não haja tempo de transformação de alguma austenita.

            Dessa maneira pode-se controlar a transformação no resfriamento, variando de mais ou menos 20ºC a temperatura de “passagem”.

    Grão grosso

             Outro  modo de melhorar a usinabilidade dos aços citados é fazer com  que eles apresentem grãos de perlita e ferrita entre os tamanhos ASTM 1 a 4, mesmo que se tenha partido de  tamanho de grão austenítico 5 a 8, especificado para engrenagens, coroas, eixos.

            Este tipo de tratamento, combinado com  o isotérmico, forma o Isotérmico Grão Grosso, que é  a estrutura especificada por algumas firmas de origem européia para as peças que  serão aumentadas depois da usinagem.

            Não basta aquecer a peça a 1050ºC ou 1100ºC, precisa-se tomar os cuidados necessários no resfriamento para evitar granulação heterogênea e com bastante intermediário, prejudiciais à vida útil da ferramenta.

    Recozimento

       Basicamente  idêntico à normalização, a recozimento difere dela apenas por exigir menor velocidade de resfriamento e por ser efetuado no próprio forno, que é desligado com as peças dentro. Por ocupar o forno mais tempo, o recozimento torna-se um processo dispendioso. Há casos, porém que se justifica o recozimento. Entre eles, aços ao carbono com alto teor de carbono ou aço de média liga, por exemplo a série (43XX).

      Observa-se que um aço 1040 tem praticamente a mesma dureza Brinell 170Kg/mm2, tanto no estado normalizado como no recozido. Tal não acontece com o aço 4350, que no estado recozido apresenta dureza de 260 Brinell e no estado normalizado 480 Brinell.

   Cementação

             A cementação diferencia-se bastante dos outros tipos de tratamento porque estes introduzem modificações de ordem estrutural e a cementação modifica a composição química, com a introdução de carbono na parte superficial da peça.

            Depois da cementação surgem praticamente dois tipos de aço: um superficial, com alto teor de carbono e que pode ficar com alta dureza após a operação de têmpera, e outro interno, com baixo teor de carbono, baixa dureza e bastante ductilidade.

            Os aços comumente usados para cementação apresentam baixo teor de carbono. A liga escolhida é aquela que após temperada proporciona a dureza do núcleo desejada, por exemplo, 1010, 1020, 8620, 4320, 9315.

            Entre a parte superficial e o núcleo, que possuem diferentes composições percentuais de carbono, existe camada intermediária onde a porcentagem do carbono varia progressivamente de um até outro ponto. Nesse caso, o processo de cementação a gás  oferece vantagem sobre o de cementação em banho de sal, onde a zona de transição é menos perceptível.

    Têmpera  e Revenido

             A têmpera seja o tratamento térmico mais conhecido. Consiste basicamente, em resfriar o material de maneira que não haja tempo para transformação da austenita em ferrita e perlita, até  que se atinja a temperatura Ms de transformação da austenita em martensita, segundo o processo de mudança estrutural.

            Os meios de Têmpera mais freqüentemente usados são: óleo, água, salmoura, solução de solda cáustica e também preparados químicos específicos.. Em qualquer um destes meios existem 3 estágios durante o resfriamento da peça:

1) Inicia-se  imediatamente após a imersão da peça no meio líquido e caracteriza-se pela formação de cortina de vapor que envolve toda a superfície da peça. A transferência de calor  é feita por radiação e condução através do filme de vapor com velocidade relativamente lenta. Por esta razão é altamente indesejável.

2) Neste estágio dá-se o rompimento da cortina de vapor e a superfície da peça é molhada pelo líquido de  têmpera, dando início à ebulição. O resfriamento é bastante rápido e o calor  é transferido por grande massa de vapor.

3) Cessada ebulição, começa o terceiro estágio, que é lento. A transferência de calor se dá por convencção e condução até atingir equilíbrio de temperatura.

            Para eliminar rapidamente a cortina de vapor formada no primeiro estágio basta que adicione sal na água (9%) ou soda cáustica (3%).

            Em alguns aços de média liga ( 430, 8640, 4140), o resfriamento não pode ser brusco, porque assim o não pode ser brusco, porque assim o material trincaria. deve-se usar o óleo, que tem um primeiro estágio de têmpera mais longo.

           Devido à limitação do equipamento, algumas vezes não se poderá mudar facilmente a têmpera do óleo para água, ou vice-versa. Entretanto, isto não representa  grande problema: dissolvidos em água, certos preparados orgânicos dão um meio de têmpera menos severo do que a água, mais severo do que o óleo e que passa por todas as formas intermediárias.

          Face à brusca transformação de ordem estrutural na retícula cristalização do aço ( de austenita  para martensita)  e porque a martensita ocupa maior volume, ocorre  uma conseqüentemente variação nas dimensões da peça, conhecida genericamente por distorção.

          Por ser inerente ao processo, este  problema é tolerado. Alguns, cuidados, porém podem ser  tomados para minimizar a ocorrência, como, exemplo, conseguir estrutura homogênea antes de têmpera (normalização adequada) ; ou não temperar direto depois da cementação e sim esfriar as peças, reaquecê-las  e depois temperar não se deve confundir a distorção com o problema do empenamento, onde há mudanças na forma sem  envolver mudanças de volume.

          O empenamento acontece em tratamentos térmicos porque geralmente se esquece que o material está com  baixa resistência mecânica face à  temperatura de processo e não se  toma na arrumação das peças no forno ou na cesta.

          O material no estado temperado é frágil, pois tem alta dureza e baixa ductilidade. Para que se consiga do material as propriedades mecânicas desejadas, necessita submetê-lo a tratamento posterior de revenido.

          Em função das diferentes velocidades de tratamento entre o núcleo e superfície, ocorrem estruturas e  durezas diferentes. ( Convém relembrar que a dureza superficial é praticamente função do teor de carbono do aço e a dureza do núcleo vem a ser função da liga do material).

           Por isso, às vezes consegue-se melhorar as propriedades mecânicas  do material trocando o meio de têmpera. Chega a um ponto, contudo, em que o tratamento térmico não é mais conveniente, porque se torna mais oneroso do que a troca do aço por outro com mais elementos de liga. O inverso também é válido, visto que para determinadas propriedades  mecânica pode-se usar um aço com menores teores de elementos ligas, aplicando, porém o tratamento térmico adequado.

           Uma observação importante em relação ao revenido diz respeito às  variáveis tempo e temperatura: a dureza do material será menor se para determinada temperatura aumentar-se o tempo de revenido. também  para um mesmo período de tempo, um aumento de temperatura diminuirá a dureza.

            Temperaturas baixas e tempos de revenido mais longos são recomendáveis, porque, desse modo, pode-se obter melhor usinabilidade sem  alterar a dureza final da peça.

 TRATAMENTO TÉRMICO DE AÇOS FERRAMENTA

E AÇOS RÁPIDOS

  Recozimento por difusão

             O recozimento por  tem por objeto  a homogeneização  mais completa possível heterogeneidades na estrutura, e principalmente das micro-segregações  que ocorrem durante a solidificação ao aço. Como regra  geral, a operação de recozimento é executada a uma temperatura alta (aproximidade 1100ºC) e durante um tempo prolongado.

    Normalização

            Na normalização o aço é aquecido até aproximadamente  10 a 20ºC acima da temperatura de têmpera, permitindo de o “encharque” durante 30 minutos, seguindo-se o resfriamento ao ar. A normalização é geralmente usada para aços carbono e de baixa liga, de maiores  dimensões e onde  a temperatura de forjamento tenha  sido alta. Caso tenha o aço adquirido uma granulação muito grosseira, poderá ser difícil obter-se uma estrutura de grão fino através de somente um ciclo de normalização, necessitando-se então vários ciclos de tratamento.

  Recozimento Doce

            O recozimento doce pode ser definido como um  tratamento térmico com o propósito de causar a esferoidização da fase de carboneto no aço. Entre os aços sem liga, os hipoeutóides são usualmente recozidos até imediatamente abaixo do A1, enqüanto que os aços hipereutetóides imediatamente acima do A1. Os aços de alta liga requerem temperaturas de recozimento superiores, tempos de permanência mais longos e regimes de resfriamento  mais lento que os aços carbono, devido ao ritmo mais lento  de difusão dos elementos de liga. Outra forma de recozimento doce é o recozimento isotérmico, que pode ser usado para aços-liga e sem liga. O material para recozimento é transferido de um forno onde o aço  esteja em estado austenítico, para outro, à temperatura adequada (725ºC), onde o material permanece até que esteja terminada a transformação isotérmica, após o que o material pode  ser resfriado ao ar.

            O recozimento isotérmico é muito recomendado nos casos de laminação e forjamento de material com tendência de trincar, quando até a temperatura ambiente diretamente ao ar (têmpera ao ar).

   Recozimento de recristalização

             É utilizado nos casos onde o trabalho a frio tenha endurecido (encruamento) o aço a ponto  de dificultar a continuição do trabalho à frio. A temperatura  para aços carbono geralmente  é em torno de 650ºC. O encharque   deve ser suficiente para o material atingir o equilíbrio térmico em toda a sua massa, após o que poderá ser resfriado ao ar uniformemente.

            Sendo o tamanho de grão uma condição imprescindível, o montante  da redução a frio antes do recozimento deve ser cuidadosamente calculado. Os aços-ligas possuem temperatura de recristalização um tanto mais alta. O recozimento de recristalização é geralmente usado para aços laminados à frio, com baixo teor de carbono.

            Outra forma de recozimento de recristalização é o tratamento térmico de solubilização  a quente. este método é geralmente  usado só para aços austeníticos, em parte para dissolver carbonetos que se tenham precipitado devido ao resfriamento  lento, e parcialmente para obter-se um material o mais  lento, e parcialmente para obter-se um material o mais doce possível após o trabalho a frio.

            O tratamento térmico de solubilização é executado aquecendo-se o material a uma temperatura de 1100ºC, onde os carbonetos se dissolvem completamente, após o  que o material é rapidamente resfriado em água. Para materiais de bitola reduzida, tais como chapas finas, o resfriamento ao ar poderá ser de suficiente rapidez.

   Recozimento para alívio de tensões

             A finalidade deste tipo de recozimento é de aliviar tensões geradas por usinagem (tornear, furar, fresar) ou de formação plástica (trefilar, prensar, recalcar). É realizado a uma temperatura abaixo A1, e usualmente dentro da faixa de 550 a 650ºC. Secções transversais complexas, que tenham sido trabalhadas a frio intensamente, deveriam ser submetidas a este tipo de recozimento e só então submetidas `a usinagem de acabamento, a fim de reduzir ao mínimo o empenamento ou as tensões  resultantes do tratamento térmico.

    Têmpera

            A têmpera pode ser descrita como aquecimento do material dentro da zona austenítica, seguindo por um resfriamento a uma velocidade tal que seja suprimida a decomposição da austenita até chegar-se a região de transformação martensítica, resultando, pois, uma estrutura martensítica.

           Cada tipo de aço possui uma determinada  região de temperatura de austenização, dentro da qual se obtém a máxima dureza, bem como uma quantidade ótima de carbonetos dissolvidos, sem o risco de crescimento excessiva de grão. Esta região de temperatura, também chamada de zona de têmpera do aço; pode geralmente se encontrada nos catálogos dos produtores de aço. os regimes de resfriamento necessários para os diferentes tipos de aço, são demostrados pelo diagrama TTT.

Revenimento

          Como regra geral o aço temperado é muito frágil para uso em aplicações comerciais. Através do revenimento consegue-se uma modificação da estrutura do material, aumentado sua tenacidade. Ao mesmo tempo são reduzidas as tensões de têmpera  e dureza decresce.

          A temperatura de têmpera deve ser escolhida tendo-se em vista, para as diversas aplicações, os requisitos de tenacidade e dureza.

          Desde que a dureza constitua o fator mais importante, e especialmente para aços de ferramenta, é evidente que a temperatura apropriada de têmpera deve ser selecionada no diagrama para o tipo de aço usado ( fig. 2).

ALGUNS DEFEITOS PROVENIENTES DE TRATAMENTOS

TÉRMICOS MAL CONDUZIDOS

             Uma peça pode ter sido devidamente projetada a fabricada a partir de um bom material, vindo a falhar mais tarde devido a um defeito criado por um processamento impróprio, após sua fabricação. Estes processamentos podem ser vários, porém o tratamento térmico mal conduzido é geralmente um importante fator que vem a causar falhas  em peças.

            Veremos a seguir, resumidamente, alguns entre os principais defeitos causados por um tratamento térmico mal conduzido.

 Superaquecimento

             Quando as ligas são aquecidas acima de sua temperatura de recristalização, ocorre o crescimento do grão. À medida que a temperatura aumenta, o grão cresce rapidamente resultando em várias características indesejáveis. O enfraquecimento que usualmente acompanha o superaquecimento é causado não somente pelo tamanho do grão, mas também por filmes contínuos que são formados nos contornos do grão tais como precipitados ou gases aprisionados. Grãos mais finos, por  outro lado, apresentam uma quantidade maior de área total de contorno, sobre a qual as impurezas podem estar mais uniformemente distribuídas.

            Os danos causados  pelo superaquecimento dependem da temperatura e do tempo de encharque e são particularmente significantes nos aços com alto e médio teor de carbono nos quais a resistência e dutilidade são ambas afetadas.

 Queima

             É um termo aplicado quando um metal é grosseiramente superaquecido, é um dano permanente e irreversível ocorre no metal,  ou pela penetração intergranular de gases oxidantes ou por fusão incipiente nos contornos de grão.

            A causa mais óbvia de queima é a utilização de um forno com temperaturas muito  elevadas. ocasionalmente, a queima pode ocorrer em fornos adequadamente controlados, uma vez que a chapa pode estar dirigida de tal modo que alcance a superfície da peça  causando superaquecimento local.

            Um material queimado não pode ser salvo porque as mudanças metalúrgicas que ocorreram são irreversíveis.

 Trincas de Têmpera

             Trincas de têmpera   nos aços, geralmente, resultam das tensões produzidas pelo acréscimo de volume que acompanha a transformação austenita/martensita. Quando um aço é temperado, a martensita forma-se inicialmente na superfície e, à medida que o  resfriamento prossegue, a austenita interna se transforma, aumentando de volume e tracionando a superfície do material. A martensita resultante é dura e frágil (martensita não revenida); o que torna a peça suscetível ao  trincamento por causa das tensões localizadas. Esta suscetibilidade ao, trincamento é aumentada pela presença de fontes de tensões tais como filetes agudos, marcas de ferramentas e outros entalhes, além de inclusões ou vazios; outros fatores que afetam o trincamento pela têmpera são a temperabilidade do aço, a taxa de resfriamento e o tempo de espera entre a têmpera e o revenido.

 Fragilidade de revenido

              Certos aços, particularmente os “cromo-níquel” mostram um decréscimo violento na resistência ao impacto quando revenidos a temperaturas  da ordem de 350 a 575ºC faixa esta que depende largamente da composição, grau de segregação e fabricação do aço. Acredita-se que a fragilidade de revenido seja o resultado da precipitação de uma fase complexa nos contornos de grão da austenita, todavia, isto não é sempre observado.

            A fragilidade de revenido aumenta a temperatura de transição e reduz a energia requerida para a fratura frágil. Foi também mostrado que esta fragilidade aumenta a taxa de crescimento de trincas de corrosão sob tensão.

 Carbonetação e descarbonetação

             Apesar do tratamento de cementação ser comumente empregado para melhorar a resistência ao desgaste e sobretudo às características de resistência de várias peças de aço, particularmente eixos, a lateração acidental da estrutura da superfície durante o tratamento térmico pode produzir resultados desastrosos. Aquecer uma  superfície de um metal contaminado com óleo ou aquecê-lo numa atmosfera rica  em carbono pode produzir uma superfície com elevado teor de carbono. Se uma  superfície carbonetadanão foi considerada no projeto inicial, problema  de trincas podem aparecer uma vez que as propriedades mecânicas na superfície são diferentes das do núcleo. Por exemplo, uma peça sujeita a impacto severo raramente é cementada, pois a superfície endurecida geralmente possui baixa tenacidade.

            Já a descarbonetação pode ocorrer pelo aquecimento numa atmosfera oxidaste. Assim o resultado é uma superfície com teor de carbono menor do que o do núcleo, com baixas propriedades de resistência e dureza.

            Em suma, nosso objetivo é frisar que um tratamento térmico bem conduzido e dentro do especificado resulta, numa boa estrutura para material, bem como em propriedades mecânicas e físicas, o que acarreta numa vida útil maior para uma peça componente de equipamento.