1Tratamentos trmicos etermoqumicos

Principais tratamentos trmicos Recozimento Normalizao Tmpera / RevenidoPrincipais termoqumicos Cementao Nitretao

2Tratamentos Trmicos

conjunto de operaes de aquecimento e resfriamento a que so submetidos os metais, sob condies controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de aquecimento e de resfriamento, com o objetivo de alterar suas propriedades ou conferir caractersticas determinadas.

3Os principais objetivos

remoo de tenses internas (oriundas de resfriamento desigual, trabalho mecnico ou outro).

Ou

4 Modificao de: dureza, resistncia mecnica, ductilidade, usinabilidade, resistncia ao desgaste, propriedade de corte, resistncia corroso, resistncia ao calor, propriedades eltricas e magnticas.

5Possibilidade de Tratamento Trmico

Devido a: Recristalizao (Ocorre para os materiais e ligas a diferentes temperaturas. Deve

apresentar um mnimo de encruamento e ser aquecido temperatura adequada.)

Modificao de fase (Ocorre em muitas ligas metlicas com a alterao da temperatura, no

estado slido.)

6Ligas que podem ser tratadas

Ligas com eutetide e modificao de fase Ferro-Carbono Cobre-Alumnio Cobre-Estanho

Ligas com modificao de solubilidade Ferro-Carbono Alumnio-Cobre Cobre-Prata Cobre-Cromo

7Diagrama de Equilbrio Fe-Fe3C

8Recristalizaohistrico

1. Material apresenta gros2. Ao deformar, os gros "desaparecem"

acreditou-se na "perda de cristalinidade"3. Aps aquecer material deformado por um

certo intervalo de tempo, os gros surgiam novamente RECRISTALIZACO

9Conhecimento atual de deformao e recristalizao de metais e ligas

1. A deformao implica em movimentao e criao de discordncias (ou seja, criam-se defeitos, mas no se perde a cristalinidade) encruamento (aumento da resistncia mecnica)

2. Aquecimento por tempo pr-determinado gera difuso diminuio de defeitos e migrao de contornos de grande ngulo nucleao e crescimento de gros RECRISTALIZAO

10

Recristalizao

11

12

13

Efeito da temperatura e tempo no TG

Colpaert

14

Elemento (% em peso)C Si Mn Al P S

0,11 0,12 1,10 0,04 0,02 0,02

Material Convencional Convencional encruado

Gros refinados

Limite de escoamento (MPa)

220 --- 540

Limite de resistncia (MPa)

320 780 580

Alongamento em 50 mm (%)

48 < 1% 25

15

Curvas TTT (Tempo-Temperatura-Transformao)

Experincia de Davenport e Bain

Determinar as relaes existentes entre a velocidade de esfriamento e as transformaes que ocorrem a temperaturas constantes (isotrmicas) em diferentes tempos.

16

Representao esquemtica do diagrama de transformao isotrmica de um ao eutetide.

17

Curvas TTT - construo

18

19

Curva TTT exemplo eutetide

20

Diagrama terico de transformao isotrmica para um ao hipoeutetide

21

Diagrama terico de transformao isotrmica para um ao hipereutetide.

22

Fatores que influenciam as curvas TTT

Composio qumica (principal) Em geral, com o aumento do teor de carbono, a curva se

desloca para a direita (os elementos de liga agem como o carbono, com exceo do Co).

Tamanho de gro Quanto maior o tamanho de gro, mais demorada ser a

transformao total da austenita, deslocando a curva para a direita.

Homogeneidade da austenita presena de carbonetos no dissolvidos deslocam as

curvas para a esquerda.

23

Influncia dacomposio qumica

teor de carbono

24

Influncia dacomposio qumica

Elementos de liga

25

Tamanho de gro austentico

26

Fatores de influncia no TT

Velocidade de aquecimento Temperatura de tratamento Tempo em temperatura Atmosfera do forno Velocidade de esfriamento

27

Velocidade de aquecimento

A fim de evitar um gradiente de temperaturas muito grande em peas de grandes dimenses, a velocidade deve ser lente ou ento deve-se fazer patamares de aquecimento para homogeneizar as temperaturas;

28

Tempo

O tempo de tratamento trmico depende muito das dimenses da pea e da microestrutura desejada.

Quanto maior o tempo: maior a segurana da completa dissoluo das

fases para posterior transformao maior ser o tamanho de groTempos longos facilitam a oxidao

29

Temperatura

Depende do tipo de material e da transformao de fase ou microestrutura desejada

30

Velocidade de Resfriamento

Depende do tipo de material e da transformao de fase ou microestrutura desejada

o mais importante, porque ele que efetivamente determinar a microestrutura (alm da composio qumica do material)

31

Meio de Resfriamento

n preciso observar:- Obteno das caractersticas finais desejadas

(microestruturas e propriedades),- O no aparecimento de fissuras e empenamento na pea,- A no gerao de grande concentrao de tenses.- Caso algumas destas alternativas acima ocorrerem,

deve-se alterar ou o meio ou o material.

32

Atmosfera Para evitar a oxidao ou perda de algum

elemento qumico (ex: descarbonetao dos aos)

oxidao2Fe + O2 = 2FeO ; Fe + CO2 = FeO + CO ; Fe + H2O = FeO + H2 ;

descarbonetao2C + O2 = 2CO ; C + CO2 = 2CO ; C + 2H2 = CH4 ;

33

descarbonetao

Colpaert

34

Resumo

- Obteno das caractersticas finais desejadas (microestruturas e propriedades),

- Evitar o aparecimento de fissuras e empenamento na pea,

- Sem a gerao de grande concentrao de tenses

35

Influncia do teor de carbono nas propriedades mecnicas

20

03 B

rook

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se.

36

Recozimento Finalidade

Regular a estrutura bruta de fuso, possibilitando maior homogeneidade aos materiais fundidos.

Regular as estruturas de materiais deformados a frio, regularizando ou eliminando tenses existentes.

Regular a estrutura proveniente de tratamentos trmicos anteriores.

Remover tenses devidas a irregularidades no resfriamento de diferentes partes de peas (soldagem).

Eliminao de impurezas gasosas. Melhorar as propriedades eltricas e magnticas. Diminuir a dureza para melhorar a usinabilidade.

37

Recozimento

Mtodo aquecimento do material at uma temperatura

acima da sua zona crtica, mantendo-o nessa temperatura para homogeneizao e resfriando lentamente.

38

39

TIPOS DE RECOZIMENTO

Recozimento para alvio de tenses (qualquer liga metlica)

Recozimento para recristalizao (qualquer liga metlica)

Recozimento para homogeneizao (para peas fundidas)

Recozimento total ou pleno (aos) Recozimento isotrmico ou cclico (aos)

40

Microestruturas de um ao com os carbonetos de ferro esferoidizados.

41

Influncia do teor de carbono na ductilidade dos aos em funo da microestrutura.

42

Recozimento Tempo de permanncia / austenitizao (encharque)

aos carbono: ~ 20 min. por centmetro de espessura; aos liga: ~ 30 min. por centmetro de espessura.

Resfriamento lento, no interior do forno, controlado ou desligado; quanto menor o teor de carbono, mais rpido pode ser

efetuado o resfriamento (retirado do forno e mergulhado em areia, cinza, cal) ou em ar parado;

velocidade de ~50C por hora.

43

Recozimento Cuidados no recozimento

controle do tempo de aquecimento; controle de tempo e temperatura de tratamento; apoio das peas no forno; controle da atmosfera do forno.

Aplicaes peas fundidas; peas encruadas.

44

Recozimento

45

Normalizao Finalidade

uniformizar e refinar a estrutura / tamanho de gro, preparar estrutura para outros tratamentos;

obtida uma melhor homogeneizao do que o recozimento, pois a temperatura de tratamento mais alta (dissoluo de carbonetos);

a granulao mais fina conseguida no resfriamento mais rpido.

Melhorar resistncia mecnica e tenacidade; Homogeneizar microestrutura de tratamentos

incorretos, como tmpera, antes de repeti-la.

46

Mtodo Aquecimento de um ao a temperaturas acima da sua

zona crtica, mantendo-o nessa temperatura para homogeneizao e resfriamento ao ar.

Normalizao

Temperatura Hipoeutetide acima da linha A3 Hipereutetide acima da linha Acm* *No h formao de um invlucro de carbonetos frgeis

devido a velocidade de resfriamento ser maiorResfriamento Ao ar (calmo ou forado)

47

Aplicaes Peas fundidas; Peas forjadas; Peas de grandes dimenses.

Importante

Determinados aos no so suscetveis, formam martensita;

Cuidar dimenses da pea.

Normalizao

48

Normalizao

49

Tmpera

Objetivos: Aumentar a dureza; Aumentar a resistncia mecnica. Aumento da resistncia ao desgaste.

Consequncias: Diminuio da ductilidade; Aumento da fragilidade;

50

Tmpera

Mtodo: Aquecimento a temperatura acima da zona

crtica; Manuteno temperatura de tratamento para

homogeneizao; Resfriamento brusco - fator mais importante,

que influenciar nas propriedades finais do material - de forma a obter-se estrutura martenstica.

51

Tmpera Aquecimento

Aos hipoeutetoides: A temperatura deve, para cada caso, estar

acima da linha de transformao completa (austenitizao plena) - aos somente com %C > 0,4 (caso no tenha elementos de liga);

Aos eutetoides e hipereutetoides A temperatura deve estar acima de 727oC

(+50oC).

52

Tmpera

Observaes: O tempo de homogeneizao deve ser o

suficiente para a completa austenitizao do material;

O tratamento deve ser realizado em atmosfera controlada para evitar-se a oxidao ou descarbonetao superficial, muito prejudicial ao material.

53

Tmpera

54

Estrutura martenstica de um ao temperado. Ataque: nital.

Aumento: 1000x.

SAE 1095 temperado em leo. rea escuras so perlita fina, reas claras so martensitas no revenidas.

55

Tmpera Resfriamento

O mais rpido possvel, desde que no interfira ou prejudique o material ou a pea (velocidade crtica de resfriamento)

realizado em meios tais como: gua leo salmoura

Meio de resfriamento Intensidade relativagua a 20oC 1,0gua a 40oC 0,7gua a 80oC 0,2Soluo de NaCl @ 10% 3,0Soluo de NaOH @ 50% 2,0leo mineral 20~200oC 0,3

56

Tmpera

Tenses estrutural: geradas pelo aprisionamento do carbono no retculo CCC.

Tenses trmicas: gerada pela compresso do ncleo pela superfcie que resfria primeiro. Ncleo fica sob compresso e superfcie sob tenso.

57

Tmpera Temperabilidade

Capacidade do material ser endurecido a certa profundidade. Endurecibilidade

Susceptibilidade do material desenvolver estrutura martenstica.

Ensaio de Temperabilidade Jominy Consiste em temperar pela base, por meio de jato de gua, em

dispositivo apropriado, um corpo de prova padro; aps o tratamento trmico, medies de dureza so realizadas ao

longo do comprimento (verificando-se a diminuio da dureza ao longo do comprimento).

58

20

03 B

rook

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ense

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Temperabilidade dos aos em funo dos elementos de liga

59

brasimet.com.br

Tmpera Vcuo

60

61

Revenido Objetivo:

Consiste no tratamento trmico aps a tmpera, a temperaturas inferiores s crticas, seguido de resfriamento lento, efetivando alvio de tenses.

Minimizar os efeitos das altas durezas (alta fragilidade);

Homogeneizao da estrutura martenstica.

62

Revenido Temperatura de tratamento:

entre 100 oC e 650 oC

Tempo de permanncia: Parmetro importante pois dele (e da velocidade de

resfriamento) depender as propriedades finais do material.

Resfriamento: Normalmente realizado ao ar.

63

Ciclo de tratamento trmico de tmpera seguido de revenido.

64

Objetivos dos TT

RecozimentoRegular estrutura

bruta de fusoEliminar tenses

existentesAumentar

ductilidade

NormalizaoUniformizar

estrutura

Refinar gros

TmperaAumentar a

resistncia mecnica

Aumentar a dureza

Aumento da resistncia ao desgaste

65

Tratamentos superficiais Tmpera superficial:

realizada somente na superfcie de peas acabadas (ou com pequeno sobremetal).

Objetivo: Aumento da dureza superficial, mantendo um ncleo

dctil. Formas de aquecimento:

por chama; por induo.

66

Tmpera por chama

A superfcie aquecida, acima da temperatura crtica (850-950C) por meio de uma chama

oxi-acetilnica.

resfriamento feito por meio de um jato de fluido

revenido para o alvio de tenses

67

Equipamentos

Pode ser feita manualmente ou com dispositivos especiais, com controle tico de temperatura

68

Tmpera por chamauso da chama para tratamento de engrenagem

A profundidade de endurecimento pode ser aumentada pelo prolongamento do tempo de aquecimento. Podem ser atingidas profundidades de at 6 mm. O processo uma alternativa de tratamento para peas muito grandes, que no caibam em fornos

Font

e:w

ww.

cim

m.c

om.b

r

69

bras

imet

.com

.br

Tmpera por chama

70

A profundidade da camada temperada controlada pela:

Intensidade da chama aplicadadistncia da chama aplicada tempo de durao da chama aplicada

71

Tmpera por induo

O calor gerado na pea por induo eletromagntica, utilizando-se bobinas de induo, nas quais flui uma corrente eltrica de alta frequncia.

72

Tmpera por induoVantagens

Pode-se determinar com preciso a profundidade da camada temperada.

O aquecimento rpido As bobinas podem ser facilmente

confeccionadas e adaptadas forma da pea

73

No produz o superaquecimento da pea permitindo a obteno de uma estrutura martenstica acicular fina

Geralmente, possibilita um maior aumento da dureza e da resistncia ao desgaste

A resistncia a fadiga tambm superior No tem problema de descarbonetao.

Tmpera por induoVantagens

74

A profundidade da camada temperada controlada pela:

Forma da bobina Distncia entre a bobina e a pea Freqncia eltrica (500-2.000.000 ciclos/s) Tempo de aquecimento

75

Bobinas para tmpera por induo

Fonte:V. Chiaverini: Aos e Ferros Fundidos

76

Tmpera por induo

Exemplos de aplicao

77

Tratamento sub-zero Alguns tipos de ao, especialmente os alta liga,

no conseguem completar totalmente a transformao de austenita em martensita.

O tratamento consiste no resfriamento do ao a temperaturas abaixo da ambiente

Ex: Nitrognio lquido: -170 C Nitrognio + lcool: -70 C

78

AO AISI 1321 cementado as linhas Mi e Mf so abaixadas.

n Neste ao a formao da martensita no se finaliza, permanecendo austenita residual a temperatura ambiente.

79

Tratamentos Isotrmicos

Austmpera consiste no aquecimento do ao at

temperatura austentica (785 e 870 C), seguido de um esfriamento rpido num meio mantido temperatura constante at completa transformao, numa faixa entre 250 e 400 C (temperatura correspondente zona de formao da bainita). Resfriamento ao ar. No necessita revenido.

80

Representao esquemtica do processo de austmpera.

81

Aplicaes da Austmpera

Aos ao C (0,5 1,0%) e 0,6% Mn mnimo; Aos ao C (> 0,9%) e menos de 0,6% Mn; Aos ao C (< 0,5%) e Mn entre 1,0 e 1,65%; Aos ligado com mais de 0,3%C, das sries

51xx; 13xx a 40xx; 4140; 6145 e 9440.

82

Tratamentos Isotrmicos

Martmpera Consiste na austenizao do ao seguido de

esfriamento rpido em banhos com temperatura constante, na faixa de 150 C e 220 C, de modo a processar-se a transformao austenita-martensita. Resfriamento moderado. Necessita revenido.

83

Martmpera

O resfriamento temporariamente interrompido, a fim de que superfcie e ncleo, tenham a mesma temperatura.

A seguir o resfriamento feito lentamente de forma que a martensita se forma uniformemente atravs da pea. A tenacidade conseguida atravs de um revenimento final.

84

Representao esquemtica do processo de martmpera.

85

Aplicaes da Martmpera

Aos que podem ser utilizados: ABNT 1090, 4130, 4140, 4150, 4340, 4640,

5140, 6150, 8630, 8640, 8740, 8745 e 52100. Aps cementao:

ABNT 3312, 4620, 5120, 8620 e 9310.

86

Tratamento trmico

Dureza HRC

Resistncia ao choque (joule)

Alongamento em 25 mm

(%)

Resfriado em gua e revenido

52,5 19,03 0

Martemperado e revenido

52,8 32,56 0

Austemperado 52,5 54,33 8

Propriedades mecnicas do ABNT 1095

87

Tratamentos Termoqumicos

Quando ocorre (ou necessitado) a alterao de composio qumica superficial (mudana parcial) e mudana parcial de propriedades nesta camada.

Principais tratamentos: Cementao; Nitretao.

88

Cementao Objetivo

Tratamento termo-qumico que consiste em aumentar-se o teor de carbono na superfcie do material, mantendo-se um ncleo dctil;

Consiste no aquecimento e manuteno do material a altas temperaturas, em atmosfera rica em carbono (meio slido, lquido ou gasoso), ocorrendo a difuso do carbono da superfcie para o centro da pea.

Materiais para cementao Aos com teor de carbono at 0,2%, podendo o material possuir na

sua composio Mn, Mo, V, Si, Ni e Cr (esses ltimos com a finalidade de facilitar a tmpera).

Temperatura de tratamento Entre 850oC e 1000oC.

89

Cementao Profundidade de cementao

Varia com a temperatura de tratamento e o tempo de permanncia a essa temperatura

entre 0,01 at no mximo 3,0mm Cementao parcial

Uma cobertura de cobre depositado eletroliticamente possibilita a cementao das partes no cobertas.

Pintura na regio que no receber cementao (mais usual).

Resfriamento Em geral, as peas so resfriadas ao ar.

Tratamentos posteriores Normalizao; Tmpera (de acordo com a constituio da parte perifrica).

90

CementaoProfundidade da camada cementadaem funo do tempo de permanncia

780

800

820

840

860

880

900

920

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Profundidade, [mm]

Term

pera

tura

, [C

]

2h3h4h5h

91

Cementao O controle da profundidade em geral realizado com

corpos-de-prova colocados junto s peas (de mesmo material das mesmas), que so retirados de tempos em tempos para confirmao.

Processo dispendioso pois o consumo de energia e mo-de-obra alto.

Processo: slido, lquido ou gs.

92

93

A cementao slida muito rudimentar e a camada cementada muito irregular. Portanto, no recomendada para a obteno de camadas muito finas.

A cementao slida realizada a temperaturas entre 850-950 C

94

1) O Carbono combina com o oxignio do ar C + O2 CO2 (850-950 C)

2) O CO2 reage com o carvo incandescente CO2 + C 2CO

3) O CO2 reage com o carvo incandescente e assim vai cementar 3Fe + 2CO Fe3C + CO2

95

A presena do ativador contribui para aumentar a velocidade de formao do CO

1) BaCO3 BaO + CO22) CO2 + C 2 CO2) 3Fe + 2CO Fe3C + CO2

96

Elementos cementantes: Carvo vegetal, mais ativadores (carbonato

de brio, ou sdio, ou potssio) e leo de linhaa (5-10%) ou leo comum como aglomerante.

Tambm, pode-se adicionar 20% de coque para aumentar a velocidade de transferncia de calor.

97

Cementao Lquida O meio carbonetante composto de sais fundidos:

NaCN, Ba(CN)2, KCN, ... Como ativador: BaCl2, MnO2, NaF e outros.

Tambm faz parte do banho a grafita de baixo teor de silcio para a cobertura do banho

A cementao lquida realizada a temperaturas entre 840-950 C

A profundidade da camada cementada controlada pela composio do banho

98

CEMENTAO LQUIDAVantagens do processo

Melhora o controle da camada cementada A camada cementada mais homognea Facilita a operao Aumenta a velocidade do processo Possibilita operaes contnuas em produo seriada D proteo quanto oxidao e descarbonetao

99

Cementao LquidaCuidados

no deixar faltar cobertura de grafite no banho a exausto dos fornos deve ser permanente, pois os

gases desprendidos so txicos, os sais so venenosos e em contato com cidos desprendem cido ciandrico

as peas devem ser introduzidas no banho secas e limpas.

100

Cementao Gasosa

O meio carbonetante composto de uma mistura de GASES:

[CO2, H2, N2 (diluidor), (metano) CH4, (etano)C2H6, (propano)C3H8,..]

101

Cementao GasosaVantagens do processo

a mistura carbonetante permanece estvel durante toda a cementao possibilita um melhor controle do teor de carbono e

consequentemente da camada cementada facilita a cementao de peas delicadas evita a oxidao permite a tmpera direta aps a cementao (sem contato com o ar e

sem reaquecimento) o processo limpo (no precisa de limpeza posterior) a penetrao do carbono rpida as deformaes por tenses so menores

102

Cementao GasosaDesvantagens do processo

A temperatura e a mistura carbonetante necessitam rgido controle durante o processo

as instalaes so complexas e dispendiosasas reaes so complexas.

103

Tintas a base de gua com cobre, servem tambm como proteo a carbonetao.

No-Carb

104

Cementao lquida banhos de sal

com

bust

ol.c

om.b

r

105

Cementao gasosa forno cmara

com

bust

ol.c

om.b

r

106

Tratamentos trmicos utilizados aps a cementao

O TT leva em conta: o ao e as especificaes da pea.No esquecer que a pea tem duas composies distintas: um

ncleo com baixo teor de carbono (0,8).

Portanto, tem 2 temperaturas crticas: A1 (camada cementada) e A3 (ncleo da pea).

107

Tmpera

108

Diagrama de Equilbrio Fe-Fe3C

A1

A3

109

Representao dos diversos tipos de tmpera aps cementao

Temperatura de cementaoTe

mpe

ratu

ra

% de carbono do ncleo Tempo

A B C D E F

110

Nitretao Objetivo

endurecimento superficial de aos por absoro de nitrognio. Mtodo

realizado em fornos com atmosfera controlada, rica em Nitrognio (em geral NH3).

banhos de sais fundidos, cianeto (cianato) de sdio e potssio. TENIFER, tempo curto at 180min.

Vantagens A temperatura de tratamento inferior da cementao; As peas apresentam-se nas dimenses e acabamento finais.

Desvantagens O tempo de permanncia, em atmosfera gasosa, grande, at

180h; A espessura da camada nitretada muito pequena.

111

Nitretao Gasosa

Influncia do tempo de nitretao gasosa

para um ao ao cromo

112

Limites de fadiga de virabrequins sob diferentes estados de tenses residuais.

A presena de tenses residuais de compresso na superfcie da pea aumenta consideravelmente a vida em fadiga.

113

Nitretao Aos para nitretao

So utilizados aos com teores de carbono entre 0,13 e 0,40%, podendo ter adies de alumnio (essencial), cromo, silcio, tungstnio e vandio.

Tratamentos trmicos anteriores Tmpera e revenido.

114

Nitretao parcial As partes das peas que no se queira tratar so

cobertas por estanho ou liga estanho-chumbo (80-20);

Podem ser cobertas com cobre (com espessuras entre 0,01 e 0,02mm).

Controle da camada nitretada Semelhante ao controle de camada cementada.

115

Cianetao um tratamento de cementao e

nitretao simultaneamente; Executado em sal fundido, com cianeto

de sdio; Temperaturas na faixa de 650 a 850C; Cobertura de grafite (carbono);

116

Tempo entre 10 a 120min, camadas entre 0,05-0,35mm;

Temperatura baixa + nitrognio; Temperatura alta + carbono; Pode haver tmpera direta, seguida de

revenido; Acabamento final s polimento.

117

Carbonitretao

Tratamento simultneo de cementao e nitretao (amnia);

executado em meio gasoso; Camada pode atingir 0,70mm; Temperatura entre 700 a 900 C;

118

Peas devem ser temperadas e revenidas;

Podem sofrer retfica; Apresenta melhores propriedades de

desgaste que a cementao.

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