Tratamentos térmicos dos aços

Marcelo F. Moreira / Susana M. G. Lebrão

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TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS

Os tratamentos térmicos empregados em metais ou ligas metálicas, são

definidos como qualquer conjunto de operações de aquecimento e resfriamento, sob

condições controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de

resfriamento, com o objetivo de alterar suas propriedades ou conferir-lhes

características pré-determinadas.

Os principais objetivos dos tratamentos térmicos dos aços envolvem:

Remoção de tensões residuais decorrentes de processos mecânicos de

conformação ou térmicos

Refino da microestrutura (diminuição do tamanho de grão)

Aumento ou diminuição de dureza

Aumento ou diminuição da resistência mecânica

Aumento da ductilidade

Melhoria da usinabilidade

Aumento da resistência ao desgaste

Melhoria da resistência a corrosão

Melhoria da resistência a fluência

Modificação de propriedades elétricas e magnéticas

Remoção de gases após operações de recobrimento por meio de processos

galvânicos (desidrogenação).

Tratamentos térmicos

Os tratamentos térmicos abordados no curso serão:

1- Alívio de tensões

2- Recozimento

3- Normalização

4- Têmpera

5- Revenimento

6- Austêmpera

7- Martempêra

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FATORES QUE AFETAM OS TRATAMENTOS TÉRMICOS

Taxa de aquecimento

De maneira geral os tratamentos térmicos dos aços são realizados em temperaturas

dentro do campo austenítico, visando-se a completa austenização do aço.

As velocidades ou taxas de aquecimento máximas dependem da condutividade

térmica do aço, do tamanho e da forma do componente. Velocidades de

aquecimento muito elevadas podem causar distorções ou, até mesmo, trincas,

porém, em alguns casos, velocidades muito baixas de aquecimento pode causar

crescimento de grão (ex: aços fortemente encruados).

Normalmente, as taxas de aquecimento empregadas pela indústria são normalmente

determinadas pelos fornos de tratamento, ou seja, os componentes são aquecidos

com a taxa imposta pelo equipamento. Valores típicos em fornos de aquecimento

resistivo ficam entre 600 e 1200°C /h. Fornos de indução e fornos do tipo banho de

sal apresentam taxas mais elevadas. Nestes casos, são recomendados cuidados

adicionais no controle da potência dos fornos de indução ou a prática de pré-

aquecimento das peças em fornos tipo banho de sal.

Tempo de permanência na temperatura de tratamento

O tempo de permanência na temperatura de tratamento é a soma do tempo para a

homogeneização da temperatura no componente e o tempo da transformação de

fase. Períodos superiores ao descrito, provocam o crescimento do tamanho de

grão. O tempo para a homogeneização de temperaturas é calculado por meio de

equações de regime de calor transiente (números de Biot e Fourier) e o tempo de

transformação em austenita é da ordem de alguns segundos. A literatura

normalmente descreve equações empíricas para a determinação do tempo de

permanência aplicada em aços de construção mecânica. A equação mais

conhecida é:

eqp et .5,0=

onde:

tp - tempo de permanência em [h]

eeq- espessura equivalente em polegadas [pol]. Para fornos com duas fontes

de calor (duas baterias de resistências ou maçaricos em duas paredes) a

espessura equivalente é 0,5 da maior espessura do componente em

polegadas.

Ex. para um componente com espessura de 100mm (~4 polegadas), a espessura

equivalente (eeq) é 2 pol. e o tempo de permanência (tp) será de 1h.

Taxa de resfriamento

É o fator mais importante do ciclo térmico pois determina a microestrutura final

obtida no tratamento térmico.

Atmosfera do forno

A presença de oxigênio na atmosfera do forno provoca oxidação do ferro e a

descarbonetação da superfície do aço. Este efeito é deletério e começa a se

manifestar a partir de 500ºC. Em componentes sem o sobre-metal previsto ou no

estado acabado são empregados fornos com atmosferas inertes (á base de N2 ou Ar)

ou levemente redutoras (contendo H2 ou CO).

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1-ALÍVIO DE TENSÕES

Objetivos:

Redução de tensões residuais provenientes dos processos de fabricação ou

adquiridas durante serviço. As tensões residuais mais comuns são:

Tensões residuais de soldagem

Tensões residuais de conformação mecânica (encruamento)

Tensões residuais de solidificação (componentes fundidos)

Tensões de usinagem (operações de torneamento, fresagem ou retificação)

Absorção de hidrogênio durante operações de recobrimento galvânico (fragilização

por hidrogênio)

Execução do tratamento:

O aquecimento é realizado em temperaturas abaixo do limite inferior da zona

crítica, sendo comuns temperaturas de até 600ºC. Em componentes temperados e

revenidos, o alívio de tensões é realizado em temperaturas abaixo da temperatura

empregada para o revenimento. O tempo de permanência varia de 1 até 100h e o

resfriamento é retirando-se o componente do forno e deixando este ao ar.

ALÍVIO DE TENSÕES NATURAL:

Atualmente é muito raro a prática do alívio de tensões natural. Foi muito

comum em fundições que dispunham de estoque de fundidos.

Consiste em deixar ás intempéries componentes fundidos durante meses ou até

anos. Estima-se que seja capaz de eliminar somente 10% a 20% das tensões

residuais.

DESIDROGENAÇÃO

A desidrogenação é um tratamento térmico de alívio de tensão aplicado após

operações de recobrimento galvânico visando a remoção de hidrogênio. É realizado

em estufa, em temperaturas da ordem de 150 a 250ºC imediatamente após o

processo de recobrimento. A maioria dos processos eletroquímicos apresentam

quantidades significativas de hidrogênio no estado iônico que difunde-se para o

interior do metal pela diferença de concentração de H. A difusão de hidrogênio

apresenta diversos efeitos deletérios, que incluem: geração de tensões internas,

fragilização e/ou a precipitação de hidretos.

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2- RECOZIMENTO

Objetivos:

remover tensões decorrentes de tratamentos mecânicos a frio ou a quente

reduzir a dureza

aumentar a usinabilidade

facilitar o trabalho a frio

regularizar a textura bruta de fusão

eliminar os efeitos de quaisquer tratamentos térmicos ou mecânico anterior

Microestrutura obtida:

Perlita grossa (com dureza na faixa de 80 HRB a 20 HRC) + ferrita pró-eutetóide

para hipoeutetóides

Perlita grossa e cementita pró-eutetóide para aços hipereutetóides

Resfriamento: desliga-se o forno e deixa-se que o aço resfrie com a taxa de

resfriamento do forno

TIPOS DE RECOZIMENTO:

2.1- RECOZIMENTO PLENO

- aquecimento acima da zona crítica até a total austenitização seguido de

resfriamento lento dentro do forno (resfriamento contínuo com a taxa de

resfriamento do forno).

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2.2- RECOZIMENTO ISOTÉRMICO OU CRÍTICO

Aquecimento até a total austenitização, seguido de resfriamento até a temperatura

de formação de perlita grossa. Permanência nesta temperatura até transformação

(isotérmica) total, seguida de resfriamento rápido até a temperatura ambiente a microestrutura final é mais uniforme que no recozimento pleno, isto é não

apresenta variações entre a superfície e o núcleo. • ciclo de tratamento é mais rápido e econômico

2.3- RECOZIMENTO PARA ESFEROIDIZAÇÃO

A esferoidização tem como objetivo alterar a morfologia da cementita (Fe3C) de

lamelar para esferoidal. A microestrutura formada pelo recozimento para

esferoidização apresenta os valores máximos de ductilidade e usinabilidade e os

valores mínimos de resistência para um dado aço.

pode-se aquecer a uma temperatura logo acima da zona crítica seguido de

resfriamento lento;

aquecimento prolongado logo abaixo da zona crítica ou

aquecimento e resfriamento alternado acima e abaixo da zona crítica

723ºC

Tem

pera

tura

Tempo

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Correlação entre as microestruturas obtidas pelos tratamentos de recozimento

pleno e recozimento para esferoidização com a dureza e usinabilidade do aço AISI

5160.

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3- NORMALIZAÇÃO

Objetivos:

refino de grão e homogeneização de microestruturas de produtos conformados a

quente

melhoria da usinabilidade

refino microestrutural de estruturas brutas de fusão

Microestrutura obtida:

Perlita fina com dureza na faixa de 30 a 40 HRC + ferrita pró-eutetóide para aços

hipoeutetóides e,

Perlita fina e cementita pró-eutetóide para aços hipereutetóides

Resfriamento:

Normalmente o resfriamento é realizado de maneira contínua , retirando-se a peça do

forno e deixando-a resfriar ao ar.

Tempo