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AÇOS CARBONO

Equilíbrio ferro-carbono

Alguns elementos químicos apresentam variedades alotrópicas, isto é, estruturas cristalinasdiferentes que passam de uma para outra em determinadas temperaturas, denominadas

temperaturas de transição. O ferro apresenta 3 variedades, conforme a seguir descrito.Ao se solidificar (temperatura de aproximadamente 1540°C), o ferro apresenta estruturacúbica de corpo centrado, chamada de f erro delta (Fe š). Permanece nessa condição atécerca de 1390ºC e, abaixo desta temperatura, transforma-se em f erro gama (Fe Š), cujaestrutura é cúbica de face centrada. Abaixo de 912°C, readquire a estrutura cúbica de corpocentrado, agora chamada de f erro al f a (Fe Ş). Continuando o resfriamento, a 770°C ocorre o ponto de Curie, isto é, ele passa a ter propriedades magnéticas. Entretanto, isso não se deve aum rearranjo da disposição atômica, mas sim à mudança do direcionamento da rotação doselétrons (spin). Em outras épocas, tal fato não era conhecido e julgava-se corresponder a umavariedade alotrópica, o f erro beta.

Ligado com o carbono, o comportamento das variedades alotrópicas do ferro e a solubilidadedo carbono nele variam de forma característica, dependendo da temperatura e do teor decarbono. Isso pode ser visto em forma de um gráfico denominadodiagrama de equilíbrio f erro-carbono. Nos itens seguintes, definições dos termos usados no diagrama.

Austenita: solução sólida do carbono em ferro gama. Ferrita: solução sólida do carbono em ferro alfa. Cementita: carboneto de ferro (Fe3C). Grafita: variedade alotrópica do carbono (estrutura cristalina hexagonal).

Obs: próximas ao ponto marcado com (*), existem na realidade linhas de equilíbrio com o ferrodelta, mas elas não são exibidas por razões de clareza e de pouco interesse prático.

Fig 01

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A adição do carbono altera as temperaturas de transição das variedades alotrópicas em relaçãoao ferro puro, dependendo do seu teor.

Exemplo: para um aço com cerca de 0,5% C, representado pela linha vertical I no diagrama, oferro gama contido na austenita começa a se transformar em alfa na interseção com a linha A3 e está totalmente transformado no cruzamento com a linha A1, a 727°C, inferior aos 912°C doferro puro.

Importante lembrar que, abaixo de 727°C, não pode haver ferro gama. Somente a variedadealfa está presente.

O ponto F corresponde ao máximo teor de carbono que a austenita pode conter, isto é, 2,11%.É usado na distinção do aço do ferro fundido, conforme definição vista em página anterior.

A solubilidade do carbono na ferrita é muito pequena (máximo 0,008%) e pode ser consideradanula em muitos casos práticos.

O ponto E (eutetóide) é a menor temperatura de equilíbrio entre a ferrita e a austenita,correspondendo a cerca de 0,77% C. E os aços podem ser eutetóides, hipoeutetóides ouhipereutetóides.

Obs: o termo eutético se refere ao equilíbrio entre fases líquida e sólida. Neste caso, é usado osufixo óide (= semelhante a) para indicar que o equilíbrio ocorre entre fases sólidas.

Fig 02O teor de carbono do aço afeta o seu aspecto granulométrico.

Um aço com muito pouco carbono (por exemplo, menos de 0,01%), se resfriado lentamente,deverá apresentar uma aparência razoavelmente uniforme, pois a maior parte serárepresentada pela ferrita.

Na Figura 02 (a), um possível aspecto de uma microfotografia de um aço desse tipo.

Supõe-se agora um aço hipoeutetóide com 0,5% de carbono, representado pela linha vertical Ino diagrama. Quando o resfriamento atinge a interseção com A3, começa a separação daaustenita em austenita e ferrita. Logo acima da linha A1, haverá ferrita mais austenita, estaúltima, com o máximo teor de carbono que pode conter (0,77%).

Logo abaixo da linha A1, toda a austenita deverá se transformar em ferrita mais cementita.Entretanto, desde que o processo é rápido, fisicamente a separação se dá em forma de lâminasbastante finas, somente visíveis ao microscópio com elevadas ampliações. Tal estrutura, isto é,a ferrita e a cementita em forma laminar, é denominada perlita.

Na figura 02 (b), a estrutura laminar típica da perlita, observada com elevada ampliação (aslinhas escuras correspondem à cementita).

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Fig 03Na figura 03 (a), o aspecto típico de um aço hipoeutetóide visto com uma ampliação menor.

As áreas claras representam a ferrita e as escuras, a perlita. Entretanto, a estrutura laminardesta última não pode ser observada devido à reduzida ampliação.

Um aço hipereutetóide (linha II no diagrama, com cerca de 1,5% C, por exemplo) tem, nainterseção com A1, austenita com o máximo teor de carbono (0,77%) e cementita. A mudançabrusca abaixo de A1 faz a austenita transformar-se em perlita conforme já visto. E a cementitaenvolve os grãos de perlita em forma de uma teia conforme Figura 03 (b), formando umaespécie de rede de cementita.

Um aço eutetóide, isto é, com 0,77% de carbono, deve apresentar somente perlita na suaestrutura granular.

O teor de carbono exerce significativa influência nas propriedades mecânicas do aço. Quantomaior, maiores a dureza e a resistência à tração. Entretanto, aços com elevados teores decarbono são prejudicados pela maior fragilidade devido à maior quantidade de cementita, umasubstância bastante dura mas quebradiça.

É comum o uso da expressão aço doce para aços de baixa dureza, com teores de carbonomenores que 0,25%.

Efeito da velocidade de resfriamento

As transformações vistas no diagrama Fe-C pressupõem velocidades de resfriamento bastantebaixas, de forma que todos os rearranjos atômicos possam se completar. Mudanças importantespodem acontecer se o aço, sob temperatura acima de 727°C, for bruscamente resfriado. Astransformações podem não se efetivar totalmente e outras podem ocorrer, afetandosensivelmente as propriedades mecânicas.

O gráfico da Figura 01 é um exemplo aproximado para um aço eutetóide, consideradoinicialmente em temperatura na região da austenita (acima de 727°C, linha A) eposteriormente resfriado.

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Fig 01Essas curvas são conhecidas como TTT (tempo, temperatura, transformação).

Exemplo: se rapidamente resfriado para T = 500°C e mantido nessa temperatura, atransformação da austenita começa em t0 e termina em t1. Ou melhor, a curva vermelha marcao início da transformação e a azul, o término.

Na parte superior (de 700 até aproximadamente 560°C) há formação de perlita, tanto mais fina(e dura) quanto menor a temperatura.

Na parte inferior (de 560 até cerca de 200°C) há formação de bainita (ferrita mais carbonetode ferro fino), de dureza maior que a perlita anterior e, de forma similar, mais dura emtemperaturas mais baixas.

Entretanto, na faixa de 200°C, há formação de uma nova estrutura, amartensita, em forma deagulhas e bastante dura (superior às anteriores). A linha Horizontal Mi marca o início e a Mf, ofim da transformação.

A formação da martensita é o princípio básico da têmpera dos aços, isto é, o tratamentotérmico para aumentar a dureza. Entretanto, nem todos os aços admitem têmpera. Em geral,somente com teor de carbono acima de 0,3% e velocidade de resfriamento alta.

Tratamentos térmicos

A têmpera, rapidamente comentada no tópico anterior, é apenas um dos possíveis tratamentostérmicos. De forma genérica, pode-se dizer que os tratamentos térmicos de aços (e também de

outros metais) têm o objetivo de proporcionar alterações de propriedades mecânicas,térmicas, químicas, elétricas ou magnéticas para atender os processos de fabricação ou asespecificações finais do produto.

Há uma variedade de tratamentos para, por exemplo, aumentar dureza e tenacidade, melhorarductilidade e facilidade de trabalho, remover tensões residuais, refinar estrutura de grãos,aumentar resistência ao desgaste, melhorar resistência à corrosão, etc. A tabela abaixo dá umresumo dos principais tipos de tratamento para aços. Nos próximos tópicos, comentários einformações sobre os mais usuais.

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Recozimento Normalização TêmperaEndurecimento

superficial recozimento

completo alívio de tensões esferoidização

têmpera e revenidoconvencionais austêmpera martêmpera

cementação nitretação

têmpera superficial carbo-nitretação ...

Recozimentos e normalização

Muitas vezes, devido ao próprio processo de produção ou a trabalhos anteriores comodeformações, o aço apresenta dureza excessiva ou pouca maleabilidade e ductilidade, ou seja,condições inadequadas para operações como usinagem, dobra e outras.

Fig 01O recozimento tem a finalidade de modificar esses aspectos (reduzir dureza, melhorarductilidade, etc) e também outros como remover gases dissolvidos, homogeneizar estrutura dosgrãos, etc.

A Figura 01 ao lado é o diagrama de transformação da austenita versus tempo do tópicoanterior, acrescido da curva de resfriamento típica do recozimento (linha contínua com seta). O processo consiste no aquecimento até temperatura acima da transformação da austenita(linha tracejada superior) e resfriamento lento no próprio forno.

A transformação da austenita ocorre na parte superior, produzindo, portanto, perlita de baixadureza.

Esse exemplo é para um aço eutetóide. Para um aço hipoeutetóide, há também ferrita e, paraum hipereutetóide ocorre a presença da cementita.

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Fig 02Alívio de tensões é um processo geralmente feito sob temperaturas acima de 500ºC einferiores à da transformação da austenita e resfriamento ao ar. É usado para eliminar tensõesresultantes de operações como deformações a frio e soldas.

A normalização é um procedimento similar ao recozimento, mas com resfriamento ao ar. Issosignifica uma maior velocidade de resfriamento. A curva verde da Figura 02 dá uma idéiaaproximada.

A normalização pode ser usada para obter uma boa ductilidade sem redução significativa dadureza e da resistência à tração. Também para facilitar a usinagem e refinar a estrutura dosgrãos. É um tratamento comum para aços-liga, antes da usinagem e de posteriores tratamentoscomo têmpera e revenido.

Devido à maior velocidade de resfriamento, aços normalizados tendem a ser menos dúcteis emais duros que os plenamente recozidos. As diferenças são significativas para teores acima de0,5% de carbono.

Fig 03A esferoidização é um processo normalmente usado com aços hipereutetóides. Nesses aços, aperlita é envolvida por uma rede de cementita, que dificulta trabalhos de usinagem e outrosprocessos de fabricação.

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O tratamento consiste em aquecer, manter por um longo tempo a peça em temperatura umpouco abaixo da formação da austenita e resfriar (exemplo: abcd da Figura 03). Valores típicospodem ser, por exemplo, 24 h a 700 ºC.

Também é possível alternar temperaturas abaixo e acima, como ab123d da mesma figura.

O resultado é uma estrutura globular de cementita em uma matriz de ferrita, o que facilita ausinagem e outros trabalhos. Essa estrutura é denominadaes f eroidita e um aspectomicrográfico típico é dado na parte direita da Figura 03.

O patenteamento se dá pelo aquecimento acima de A3 e resfriamento ao ar ou em banholíquido (chumbo ou sal fundido) com temperaturas na faixa de 450 / 550 ºC. O objetivo é aobtenção de uma estrutura com perlita fina ou somente bainita. Usado especificamente emaços para trefilação, a fim de combinar adequadamente resistência à tração e tenacidadesuficiente para permitir deformações.

Fig 04A Figura 04 exibe parte ampliada do diagrama Fe-C já visto em página anterior. Corresponde àregião dos aços e a temperaturas até a formação da austenita.

As seguintes definições são aplicáveis:

Temperatura crítica inferior: temperatura abaixo da qual não existe austenita. Linha A1.

Temperatura crítica superior: temperatura acima da qual todo o material é austenita. LinhaA3 para aços hipoeutetóides e Acm para aços hipereutetóides.

As faixas do gráfico são apenas indicações aproximadas para as temperaturas de aquecimento,

sem compromissos com escalas e valores reais. Pode-se observar que a temperatura denormalização é um pouco acima da temperatura crítica superior. Essa situação vale tambémpara o recozimento de aço hipoeutetóide, mas a referência mudapara temperatura críticainferior no caso de hipereutetóide. A esferoidização, em geral somente para este último,ocorre em temperaturas pouco abaixo da crítica inferior, mas pode alternar com temperaturaspouco acima conforme já mencionado.

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Têmpera e revenido

Conforme visto em página anterior, a martensita é a estrutura básica formada no processo detêmpera, que tem como resultado um expressivo aumento da dureza do aço. Em razão das posições das linhas de início e de fim da transformação (Mi e Mf no diagrama), hánecessidade de um rápido resfriamento para que ela ocorra.

Fig 01Na prática, isso é obtido através da imersão da peça em um meio adequado (água ou óleo, porexemplo). Em alguns casos, jatos de ar são suficientes para a operação. A linha indicativa do processo no diagrama TTT da Figura 01 ao lado dá uma idéia das etapas. Oresfriamento é a parte esquerda da curva, isto é, da temperatura pouco acima de A até poucoabaixo de Mf.

Considerando a inércia térmica do metal e a rapidez do resfriamento, conclui-se que esteúltimo não se dá de maneira uniforme. Quanto mais próximo do meio de resfriamento, maior avelocidade. Assim, há duas curvas extremas, uma para a superfície e outra para a regiãocentral.

A dureza da martensita e as tensões resultantes das diferenças estruturais provocadas pelasdiferentes velocidades de resfriamento resultam em um material bastante duro, mas frágil ecom reais possibilidades de trincas ou deformações, a depender do nível dessas tensões.

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Fig 02Em peças de pequenas dimensões ou seções, esses efeitos podem ser algumas vezes tolerados,mas são bastante prejudiciais ou inaceitáveis na maioria dos casos.

O revenido é um tratamento posterior à têmpera, que consiste em elevar a temperatura atécerto nível e manter por algum tempo, conforme restante da curva verde da Figura 01. O resultado é um alívio das tensões internas e redução da dureza, tanto maior quanto maioresa temperatura e o tempo de revenido.

Pode-se dizer, portanto, que a operação de revenido ajusta a dureza desejada da peça. Se adureza diminui, a ductilidade aumenta e, por conseqüência, a resistência ao impacto. NaFigura 02, a variação aproximada desses parâmetros versus temperatura de revenido para açocom 0,45% C.

Fig 03A temperatura de aquecimento para a têmpera deve estar um pouco acima de um determinadonível A, indicado na Figura 01.

Esse valor deve ser tal que a estrutura do aço, antes de iniciar o resfriamento, seja formadabasicamente pela austenita.

No caso de aços hipereutetóides, a presença de alguma cementita não traz maioresconseqüências. Portanto, o nível A pode ser a temperatura crítica inferior A1. Açoshipoeutetóides contêm ferrita logo acima de A1, o que produz um endurecimento incompleto.

Para esses aços, o nível A deve ser a temperatura crítica superior, linha A3 no diagrama Fe-C.

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Fig 04A Figura 03 (a) dá o aspecto micrográfico típico da martensita obtida após o resfriamento.Notar a estrutura agulheada. Em (b) temos o aspecto após o revenido. A estrutura étransformada em finos grãos de cementita distribuídos em uma matriz de ferrita.

A transformação da austenita em martensita não é um processo de difusão. É um rearranjoatômico e a martensita pode ser considerada uma solução sólida supersaturada de carbono emferro alfa. A estrutura é tetragonal de corpo centrado, diferente da cúbica de face centrada daaustenita.

A martensita não aparece no diagrama ferro-carbono porque é uma condição metaestável, quepode permanecer indefinidamente sob temperatura ambiente, mas retorna às fases deequilíbrio mediante recozimento. A martensita e outras fases ou estruturas do sistema ferro-carbono podem coexistir.

As temperaturas de início e fim da transformação da martensita (Mi e Mf da Figura 01) variamde acordo com a composição do aço. A Figura 04 mostra uma variação típica com o teor decarbono. Elementos de liga também exercem considerável influência. Isso significa que, emalguns aços, a temperatura de término da transformação Mf pode ficar abaixo da ambiente. Euma têmpera convencional deixa algum resíduo de austenita, comumente denominadaaustenita retida.

O efeito da austenita retida é uma instabilidade dimensional, que pode ser inadmissível paracertas aplicações. Há alguns meios para a sua remoção. Um deles é uma segunda etapa derevenido, entre 200 e 300ºC, que transforma o resíduo de austenita em bainita. Outro meio é ouso de refrigeração mecânica ou criogênica (dióxido de carbono, nitrogênio líquido, etc) paraefetuar o tratamento subzero, isto é, a redução de temperatura até a transformaçãocompleta.

Martêmpera

Conforme já visto, a têmpera convencional produz tensões internas devido às diferenças de

velocidades de transformação entre partes superficiais e interiores.

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Fig 01O tratamento posterior de revenido pode contornar o problema, mas não é suficiente emalguns casos.

Na martêmpera, a peça é resfriada até uma temperatura um pouco acima do início datransformação da martensita (Mi) por um meio adequado como óleo aquecido ou sal fundido.

Nesse meio, ela é mantida por um tempo suficiente para uniformizar as temperaturas internase externas. Logo após, ocorre o resfriamento para transformação da martensita. Portanto, a transformação acontece com alguma uniformidade de temperatura na peça,evitando ou diminuindo a formação de tensões residuais.

A martêmpera não dispensa o tratamento de revenido, pois a estrutura básica é a mesma

martensita da têmpera convencional. Naturalmente, devido à etapa adicional, exige maiscontrole de parâmetros e equipamentos apropriados.

Austêmpera

É uma outra alternativa para a têmpera e revenido convencionais. A Figura 01 abaixo exibeuma curva aproximada de um resfriamento típico.

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Fig 01A peça aquecida é resfriada até uma temperatura pouco acima do início da formação demartensita (Mi). O meio de resfriamento é normalmente um banho de sais fundidos, porexemplo, uma mistura de nitrato de sódio e de potássio.

A peça é mantida nessa temperatura (em geral, entre 300 e 400ºC) pelo tempo suficiente paratransformar toda a austenita em bainita e, em seguida, resfriada ao ar. Em razão da temperatura constante na fase de transformação, esse tratamento é classificadode isotérmico.

Notam-se as diferenças básicas em relação à têmpera convencional: transformação em bainitano lugar da martensita e ausência do revenido.

Algumas vantagens da austêmpera:

ausência da etapa de revenido. características de deformação e tendência a trincas melhores que as da martêmpera. para durezas semelhantes, resistências ao impacto maiores que as obtidas com têmperaconvencional ou com martêmpera.

Entretanto, o método apresenta algumas limitações. As seções devem ser resfriadas de forma aevitar formação de perlita. Na prática, isso limita a espessura das seções a valores na faixa de5 a 6 mm para aços-carbono. Alguns aços-liga permitem seções maiores, mas o tempo datransformação torna-se excessivamente longo.

Carburização e descarburização

Difusão é um processo físico-químico, pelo qual átomos de uma substância penetram naestrutura de outra. Aqui se considera o caso específico do par ferro e carbono. Ferro é oelemento número 26 da tabela periódica, enquanto o carbono é o número 6. Isso significa que oátomo do carbono é menor que o do ferro e, portanto, é natural que, no processo de difusão,os átomos de carbono ocupem espaços vazios nas estrutura formada pelos átomos de ferro.

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Fig 01Supõe-se uma experiência conforme esquema na parte inferior da Figura 01 (b): Uma barra de ferro puro tem uma extremidade em contato com uma porção de carvão (fontede carbono). As demais superfícies da barra são consideradas em meio neutro, sem qualquerinteração com o ferro.

Os resultados demonstram que a difusão do carbono no ferro é altamente dependente datemperatura. Sob temperatura ambiente, ela não ocorre ou é tão pequena que pode serconsiderada nula.

Com aumento da temperatura, há o correspondente incremento da energia cinética dosátomos, significando vibrações mais intensas que aumentam a probabilidade de saltos dosátomos de carbono na estrutura do ferro.

Supõe-se agora que o conjunto carvão / ferro é aquecido a 950ºC. Em (a) da Figura 01, é dadauma parte do diagrama de equilíbrio ferro / carbono visto em página anterior. Nessatemperatura, só pode haver solução de carbono em ferro Š (austenita) e o máximo teor decarbono que ela pode conter é aproximadamente 1,3% (interseção com a linha Acm).

Numa camada de espessura infinitesimal na superfície em contato com o carvão, pode-se dizerque a concentração de carbono é o máximo (1,3%) que pode existir na temperatura do conjunto(950ºC). E o teor de carbono diminui com a profundidade, pois os átomos de carbonoencontram cada vez mais obstáculos para a penetração.

A difusão é também dependente do tempo. Quanto maior o tempo de contato, maiores serão asconcentrações ao longo do comprimento da barra. As três curvas do gráfico da Figura 01 (b)referem-se a tempos diferentes, com aumento na direção indicada. Esse é o princípio dacementação, isto é, o enriquecimento carbono na superfície para aumento, via têmpera, da suadureza. Outras informações sobre cementação podem ser vistas nas próximas páginas.

Fig 02O aumento do teor de carbono devido à difusão também pode ser denominado, de forma maisgenérica, carburização. O inverso também pode ocorrer: um aço pode ter seu teor de carbono

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diminuído, ou seja, sofrer uma descarburização.

Em (a) da Figura 02, supõe-se uma barra de aço com 0,90% de carbono aquecida a 950ºC.

Considera-se que uma extremidade da barra está em contato com o ar e as demais superfíciesestão em meio neutro, sem interação com o aço. A alta temperatura favorece a reação dooxigênio do ar com o carbono do aço para formar dióxido de carbono. De forma similar ao

anterior, a intensidade do processo aumenta com o tempo e curvas típicas das variações deteores ao longo da barra são dadas em (b) da mesma figura.

A descarburização de aços nas altas temperaturas necessárias aos tratamentos térmicos é umaspecto importante a considerar (a conseqüência prática é, logicamente, a formação de umacamada superficial de menor dureza). Muitas vezes a prevenção é necessária, com uso, porexemplo, de fornos de atmosfera controlada ou aquecimento em banho de sal fundido. Outro fato indesejável que pode ocorrer no aquecimento de aços é a formação de uma camadade óxido devido à reação do ferro com substâncias presentes na atmosfera : Com oxigênio: 2Fe + O2 ĺ 2FeO.Com dióxido de carbono: Fe + CO2 ĺ FeO + CO.

Com vapor d'água:

Fe + H2Oĺ

FeO + H2.Considera-se agora o processo de carburização conforme (b) da Figura 01 anterior. À primeiravista pode parecer que o carbono sólido do carvão se difunde no ferro. Mas isso não érigorosamente verdadeiro. Na realidade, o carbono é fornecido pelo gás monóxido de carbonoformado pela reação (queima) do carvão com o oxigênio do ar. Pode-se dizer que, na prática, aqueima do carvão produz monóxido e dióxido de carbono conforme seguinte reação:

Fig 033 C + 2 O2 ĺ CO2 + 2 CO.

A mistura de monóxido com dióxido de carbono interage com o carbono do aço na forma deuma reação reversível podendo aumentar ou diminuir o teor de carbono do mesmo. Carburizar: 2 CO ĺ CO2 + Caço.Descarburizar: CO2 + Caço ĺ 2 CO.

O sentido da reação depende das concentrações de cada parte (CO e CO2) em relação ao totalda mistura.

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Desde que são dois componentes, considera-se apenas o percentual de CO2. A reversibilidadeda reação anterior permite concluir que deve existir um valor de concentração de CO2 tal queocorre um equilíbrio termodinâmico, isto é, não há perda nem ganho de carbono no aço. E,naturalmente, esse valor depende da composição do aço e da temperatura. A Figura 03 dá avariação temperatura x concentração de CO2 para aços-carbono com 0,20%C, 0,60%C e 0,95%C.

Seja, por exemplo, um aço com 0,95% de C. A 1000ºC, uma concentração de aproximadamente0,07% CO2 não produz ganho nem perda de carbono, ou seja, é uma atmos f era neutra para oaço nessa temperatura. Se o teor de CO2 é menor, há então uma atmosfera que aumenta o teorde carbono da superfície (cementação).

Fornos práticos podem usar o chamado gás endotérmico para controlar o nível de CO2 e,portanto, produzir atmosferas neutras ou com capacidade de cementação. É obtido, porexemplo, pela queima do metano em um conversor catalítico. O resultado é cerca de 20% demistura CO + CO2, além de 40% de H2 e 40% de N2. O teor de CO2 é controlado pela relação ar /combustível na entrada do conversor. O hidrogênio tem a capacidade de aumentar a taxa detransferência de carbono na cementação. Mas o risco associado (explosão) é evidente.

Em antigos processos que usavam carvão para aquecimento, a relação CO2 /CO era ajustada naprática pela vazão de ar insuflado. Vazões elevadas produziam temperaturas altas e tambémelevadas relações CO2 /CO, que resultavam em descarburização e oxidação. Vazões menoresreduziam temperaturas, mas proporcionavam relações menores de CO2 /CO para oenriquecimento superficial de carbono (cementação) das peças de aço.

Endurecimento superficial - Introdução

O endurecimento do aço via tratamento térmico tem como contrapartida prejuízos em outraspropriedades, como maior fragilidade, menor resistência à fadiga eoutras. Em algumas

aplicações, é bastante desejável que apenas a superfície seja endurecida. É o caso, porexemplo, de engrenagens, nas quais a superfície deve ser dura o bastante para resistir bem aodesgaste provocado pelo contato dos dentes e o interior deve apresentar propriedades típicasde um aço não endurecido.

Esta página procura das algumas informações sobre processos mais usuais de endurecimentosuperficial de aços. Nem todos os processos estão aqui comentados. Novos tópicos (ou maisinformações) poderão ser inseridos em futuras atualizações.

Cementação

É certamente o método mais antigo para endurecimento superficial de aços. Dados históricos

revelam que tem sido usado desde a época do Império Romano.

Basicamente, o processo consiste em aumentar o teor de carbono de uma fina camada nasuperfície da peça e posterior tratamento de têmpera e revenido.

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Fig 01Assim, se o aço é de baixo carbono, apenas a camada superficial é endurecida e o interiormantém as características de ductilidade e tenacidade. Isso proporciona uma combinação daspropriedades desejáveis de resistência ao desgaste e estabilidade estrutural.

A difusão é proporcionada pelo carbono fornecido por algum meio, em temperaturas nas quaisela possa ocorrer. Normalmente na faixa da austenita, de 840 a 1000ºC.

A espessura da camada cementada varia com a temperatura e o tempo de tratamento. Ográfico da Figura 01 dá exemplo aproximado de duas curvas típicas. Em geral, a profundidademáxima usada está perto de 1,2 mm e o teor de carbono na superfície está na faixa de 0,8 a1,0%.

Fig 02Na cementação sólida a peça é envolvida em uma mistura de carvão vegetal granulado ereagentes. Um meio adequado, como uma caixa, mantém o conjunto que recebe aquecimentoconforme ilustração da Figura 02.

Um reagente usual é o carbonato de bário, que se decompõe e libera o dióxido de carbono: BaCO3 ĺ BaO + CO2.

Há também formação a partir do carvão: C + O2 ĺ CO2. E o dióxido reage com o carbono, CO2 +C ĺ 2 CO.

O monóxido de carbono reage com o ferro: 2 CO + 3 Fe ĺ Fe3C + CO2.

A cementação sólida tem, entre outros, os aspectos positivos da simplicidade, do baixo custodos dispositivos e materiais, da menor tendência ao empenamento devido ao apoio integral dapeça no meio sólido. Entretanto, é um método pouco prático para produção em larga escala,tem pouca flexibilidade, não há controle preciso de temperatura e de profundidade dacamada.

Na cementação gasosa o carbono é fornecido por um gás de hidrocarboneto como propano,

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etano, metano. O propano é provavelmente o mais usado. Em geral, o gás é parcialmenteoxidado em um dispositivo denominado gerador para produzir uma atmosfera de CO e H2, que éfornecida ao forno.

Em relação à cementação sólida, o processo apresenta vantagens claras, como ambiente limpo,controle preciso das condições, menor tempo, etc. Entretanto, o custo dos equipamentos é altoe exige operação mais especializada, pois há uma variedade de parâmetros a controlar.

Na cementação líquida, as peças são imersas em um banho de sal fundido, em temperaturasna faixa de 840 a 955ºC. Ocorre uma série (aqui não citada) de reações químicas que resultamna difusão superficial do carbono. Um dos sais mais usados é o cianeto de sódio (NaCN).

A cementação líquida requer um tempo (1 a 4 h) significativamente menor que os processosanteriores. O controle é preciso e há menor tendência ao empenamento. Entretanto, otrabalho com esses sais exige cuidados especiais de segurança e proteção ambiental, e sãoonerosos o tratamento e a disposição final dos resíduos.

Nitretação

Neste método, nitrogênio é difundido na camada superficial em temperaturas abaixo daformação da austenita, em geral na faixa de 495 a 575ºC. O resultado é a formação de nitretoscomplexos de alta dureza pela combinação do nitrogênio com elementos de liga do aço.

Fig 01A nitretação gasosa é a forma mais comum do processo. A Figura 01 deste tópico dá umesquema simplificado.

Na temperatura do processo, a amônia é dissociada conforme reação

2 NH3 ĺ 2 N + 3 H2.

O nitrogênio se difunde na superfície das peças e o hidrogênio é exaurido pela saída de gás.

A camada de nitretos apresenta dureza maior que a dos aços para ferramentas e açoscementados. Os mais usados para nitretação são aços-liga contendo cromo e molibdênio.

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Fig 02Valores típicos de dureza estão na faixa de 55 a 70 HRC em camadas de 0,15 a 0,5 mm.

Além do aumento da dureza e, por conseqüência, da resistência ao desgaste, as peçassubmetidas à nitretação apresentam melhoras das resistências à corrosão e à fadiga. Estaúltima ocorre em razão das tensões residuais de compressão da camada.

Devido à menor temperatura, as peças têm menos deformação que as cementadas. Não há

necessidade de tratamento térmico posterior.

Há formação de uma fina camada branca na superfície, que deve ser removida em aplicaçõescríticas. A nitretação em dois estágios pode impedir a formação dessa camada.

A nitretação a gás é, entretanto, um processo lento. O gráfico da Figura 02 dá um exemplotípico de profundidade da camada versus tempo. Tempos usuais na prática variam de 48 a 72 h. A nitretação líquida usa sal fundido de forma similar à cementação líquida vista em tópicoanterior. Devido à menor temperatura, a difusão do nitrogênio é predominante. Uma misturatípica de sais para essa finalidade é cianeto de sódio com pequenas proporções de carbonatode sódio e cianato de sódio. Naturalmente, problemas de segurança e de ambiente estãopresentes, como na cementação líquida.

A carbo-nitretação consiste em difundir simultaneamente carbono e nitrogênio na superfíciedo aço. São usados gases da cementação gasosa (propano, gás do gerador) e amônia emtemperaturas na faixa de 760 a 870ºC. Normalmente, há necessidade de têmpera posterior. Adureza obtida não é tão alta quando à da nitretação. Valores comuns são de 60 a 65 HRC emcamadas de 0,1 a 0,8 mm. Uma vantagem é a possibilidade do uso de aços-carbono ou aços-ligacom baixos teores de liga. A deformação das peças é menor que a da cementação.

Têmpera superficial

Os tratamentos vistos anteriormente de cementação ou de nitretaçãosão classificados comotermoquímicos porque a composição do aço é alterada com adição de mais carbono ou de

nitrogênio provenientes de um meio externo. A têmpera superficial baseia-se apenas na inérciatérmica para promover o endurecimento da superfície.

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Fig 01A idéia fundamental é submeter a peça a um rápido aquecimento de fora para dentro e, logodepois, à ação do meio de têmpera (ar, água, óleo ou outros). Com os parâmetros devidamentecontrolados, apenas a superfície é endurecida pela têmpera porque o interior não atingetemperatura suficiente.

A Figura 01 deste tópico exibe um esquema simplificado da têmpera por indução. Oaquecimento é dado por uma bobina de indução à qual se aplica, por um certo tempo, umacorrente alternada cuja freqüência pode ser de alguns quilohertz a poucos megahertz,dependendo das dimensões da peça e da profundidade desejada de têmpera.

Em geral, a bobina tem algum meio de refrigeração para prevenir o próprio aquecimento, comotubo com água conforme figura.

Logo após o ciclo de aquecimento, a peça é submetida ao meio de têmpera (nãonecessariamente por imersão. Pode ser jato de água ou outro arranjo).

Com bobinas de formato adequado, a têmpera por indução permite uma precisa definição daárea a endurecer, mas o custo do processo é normalmente elevado.

Fig 02Na têmpera por chama, o aquecimento é dado pela combustão de algum gás como acetileno,propano ou outros. A Figura 02 exibe um esquema simplificado.

Nos equipamentos práticos, a peça pode girar para obter um aquecimento uniforme ou váriosoutros arranjos podem ser usados de acordo com a geometria da peça.

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Aplicações típicas são barramentos, dentes de engrenagens, cames, eixos, etc.

Alguns valores típicos de têmpera por chama são: temperatura 815ºC, profundidade 4,5 mm,dureza até 65 HRC. Naturalmente, para ambos os processos (indução, chama), o aço deve terteor de carbono suficiente para permitir a têmpera, em geral acima de 0,4% C.

Efeitos do teor de carbono

Conforme mencionado em página anterior, o teor de carbono exerce significativa influêncianaspropriedades mecânicas dos aços.

Fig 01As curvas do gráfico da Figura 01 ao lado mostram, de forma aproximada, as variações dedureza e de tensões de tração máxima e de escoamento com o teor de carbono do aço. Pode-se notar que a dureza aumenta progressivamente com o teor de carbono e que as tensõesde tração também aumentam nos aços hipoeutetóides, mas tendem a estabilizar-se noshipereutetóides.

Na maioria dos materiais, a contrapartida para maior dureza é maior fragilidade ou menor

ductilidade. E essa regra é também válida para os aços.

Fig 02Os gráficos da Figura 02 dão variações aproximadas do alongamento e resistência ao impactoem função do teor de carbono. Portanto, teores maiores de carbono implicam maior fragilidadee menor ductilidade.

Outro aspecto, importante em aplicações estruturais, é a capacidade de soldagem. Aços comaté 0,3% C são considerados de soldagem fácil. De 0,3 a 0,5%, média. E, acima de 0,5% C, sãode soldagem difícil.

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Efeitos dos elementos de liga

Quando mencionado elementos de liga, deve ficar subentendido que são outros elementos alémdo ferro e do carbono, uma vez que estes últimos são os constituintes básicos do aço. Alumínio (Al): é usado em pequenas proporções, como desoxidante e agente de controle docrescimento dos grãos.

Chumbo (Pb): não se liga ao aço mas, quando adicionado, distribui-se na estrutura em formade partículas microscópicas, o que resulta em maior facilidade de usinagem. Entretanto,devido ao baixo ponto de fusão (cerca de 327°C), aços com chumbo não devem ser usados emtemperaturas acima de 250°C.

Cobalto (Co): aumenta a dureza do aço sob altas temperaturas.

Cobre (Cu): melhora a resistência à corrosão por agentes atmosféricos, se usado em teores de0,2 a 0,5%.

Cromo (Cr): melhora a resistência à corrosão (aço com cerca de 12% Cr resiste à ação da água ede vários ácidos), aumenta a resistência à tração (em média, 80 MPa para cada 1% de cromo),melhora a facilidade de têmpera, aumenta a resistência à alta temperatura e ao desgaste.

Enxofre (S): é, na maioria dos casos, um elemento indesejável, oriundo do processo deprodução. Se combinado com o ferro na forma de sulfeto, deixa o aço quebradiço. Entretanto,se combinado com o manganês no forma do respectivo sulfeto, favorece a usinagem com aformação de cavacos que se quebram facilmente.

Fósforo (P): é considerado um elemento prejudicial, resultante do processo de produção.Torna o aço frágil, efeito que se acentua com o aumento do teor de carbono. Assim, os teoresmáximos permitidos devem ser controlados com rigor em aços para aplicações estruturais oucríticas.

Manganês (Mn): em média, para cada 1% de manganês, a resistência à tração aumenta 100MPa. Para aços temperáveis, aumenta a dureza após o processo de têmpera. Molibdênio (Mo): melhora a resistência a altas temperaturas, a resistência ao desgaste e adureza após a têmpera. Para aços inoxidáveis, melhora a resistência à corrosão. Níquel (Ni): em média, para cada 1% de níquel, a resistência à tração aumenta 40 MPa, mas olimite de elasticidade é mais favorecido. Melhora significativamente a capacidade de têmpera,possibilitando redução da velocidade de resfriamento. O níquel altera a alotropia do ferro eteores acima de 25% fazem reter a austenita em temperaturas usuais, fazendo umaçoaustenítico, que é não magnético e bastante resistente à corrosão. Com 36% de Ni, o aço tem omenor coeficiente de dilatação térmica e é usado em instrumentos de medição. Em conjuntocom o cromo, o aço pode ser austenítico com a combinação 18% Cr e 8% Ni.

Silício (Si): é um agente desoxidante na produção do aço. Aumenta a resistência à corrosão e aresistência à tração, mas prejudica a soldagem. O silício aumenta significativamente aresistividade elétrica do aço e, por isso, aços com silício são amplamente usados em núcleosmagnéticos (motores, transformadores, etc) devido às menores perdas com as correntesparasitas que se formam.

Tungstênio (W): aumenta a resistência à tração em altas temperaturas. Forma carbonetosbastante duros e é usado em aços para ferramentas (aços rápidos).

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Vanádio (V): refina a estrutura do aço, impedindo o crescimento dos grãos. Forma carbonetosduros e estáveis e é usado em aços para ferramentas para aumentar a capacidade de corte edureza em altas temperaturas.

Codificação de aços Topo | Fim

Existem várias entidades que estabelecem normas para codificação de aços de acordo com oteor de carbono e dos elementos de liga. Na tabela abaixo, alguns códigos da SAE (Society ofAutomotive Engineers).

Obs: os dois últimos algarismos (xx) indicam o teor de carbono em 0,01%. Exemplo: um aço SAE1020 tem 0,20 % de carbono.

Código SAE Descrição ou principais elementos de liga10xx Aços-carbono de uso geral11xx Aços de fácil usinagem, com enxofre13xx Manganês (1,75%)15xx Manganês (1,00%)

23xx Níquel (3,50%)25xx Níquel (5,00%)31xx Níquel (1,25%), cromo (0,65%)33xx Níquel (3,50%), cromo (1,55%)40xx Molibdênio (0,25%)41xx Cromo (0,50 ou 0,95%), molibdênio (0,12 ou 0,20%)43xx Níquel (1,80%), cromo (0,50 ou 0,80%), molibdênio (0,25%)46xx Níquel (1,55 ou 1,80%), molibdênio (0,20 ou 0,25%)47xx Níquel (1,05%), cromo (0,45%), molibdênio (0,25%)48xx Níquel (3,50%), molibdênio (0,25%)50xx Cromo (0,28% ou 0,40%)

51xx Cromo (0,80, 0,90, 0,95, 1,00 ou 1,05%)61xx Cromo (0,80 ou 0,95%), vanádio (0,10 ou 0,15%)86xx Níquel (0,55%), cromo (0,50 ou 0,65%), molibdênio (0,20%)87xx Níquel (0,55%), cromo (0,50%), molibdênio (0,25%)

92xx Manganês (0,85%), silício (2,00%)93xx Níquel (3,25%), cromo (1,20%), molibdênio (0,12%)94xx Manganês (1,00%), níquel (0,45%), cromo (0,40%), molibdênio (0,12%)97xx Níquel (0,55%), cromo (0,17%), molibdênio (0,20%)98xx Níquel (1,00%), cromo (0,80%), molibdênio (0,25%)

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