Centro Universitário Estadual da Zona Oeste – UEZO Curso Superior de Tecnologia em Construção Naval – CoTCN

Tratamentos Térmicos

Rio de Janeiro 2011

Caio Sarti e Sâmara Pinto

Tratamentos Térmicos

Rio de Janeiro 2011

Trabalho realizado pelos alunos Caio Sarti e Sâmara Pinto, 3º período do curso de Construção Naval, na disciplina de Processos de Fabricação, lecionada pelo professor Rodrigo Felix.

RESUMO

Tratamentos térmicos são basicamente ciclos de aquecimento e resfriamento, que visam

atribuir a certa estrutura, as propriedades desejadas. Os tratamentos térmicos influenciam

principalmente na dureza, resistência, ductilidade e tenacidade do material, fazendo

modificações na estrutura metálica da peça a ser tratada.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Representação esquemática de ciclos de tratamentos térmicos para o aço ........ 10 Figura 2 - Aço 1040 submetido a diferentes tratamentos térmicos ............................................. 10 Figura 3 - Aço 1040, aumento de 100X, 200X e 400X, ataque com NITAL 2% ....................... 12 Figura 4 - Aço 1040 temperado em óleo .................................................................................................. 12 Figura 5 - Aço 1040 cementado por 4 horas a 1000°C ....................................................................... 12 Figura 6 - Diagrama de Fases Fe-C ............................................................................................................ 15 Figura 7 - Curva TTT ........................................................................................................................................ 15 Figura 8 - Diagrama de transformação da austenita versus tempo ............................................. 18 Figura 9 - Microestrutura ferrítica-perlítica de uma aço SAE 1045 laminado a quente ..... 19 Figura 10 - Microestrutura obtida após recozimento de esferoidização ................................... 19 Figura 11 - – Fotomicrografia da seção reta da parede de um tubo de aço SAE 1045 no estado de entrega ............................................................................................................................................................ 21 Figura 12 - E após o tratamento de têmpera e revenimento por indução eletromagntica- 1100X ..................................................................................................................................................................... 21

SUMÁRIO

1. Introdução ................................................................................................................................................. 4 2. A importância dos metais ................................................................................................................... 6 3. A importância dos tratamentos térmicos .................................................................................... 10 4. Fatores que influenciam o tratamento térmico ......................................................................... 14 5. Principais tipos de tratamentos térmicos .................................................................................... 18 5.1. Recozimento ..................................................................................................................................... 18 5.2. Têmpera ............................................................................................................................................. 21 5.3. Revenimento ou Revenido ......................................................................................................... 26 5.4. Normalização .................................................................................................................................... 27 5.5. Solubilização e envelhecimento ............................................................................................... 28 5.6. Tratamentos isotérmicos ............................................................................................................ 29 5.7. Tratamento sub-zero ..................................................................................................................... 31 6. Tratamentos termoquímicos ............................................................................................................. 32 6.1. Cementação ...................................................................................................................................... 32 6.2. Nitretação .......................................................................................................................................... 35 6.3. Outros processos de tratamento termoquímico ............................................................... 36 7. Conclusão .................................................................................................................................................. 38 Referências ..................................................................................................................................................... 39 Glossário .......................................................................................................................................................... 42

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1. INTRODUÇÃO Em Química um metal é um elemento, substância ou liga caracterizado por sua boa

condutividade elétrica e de calor, geralmente apresentando cor prateada ou amarelada, um alto ponto de fusão e de ebulição e uma elevada dureza. Qualquer metal pode ser definido também como um elemento químico que forma aglomerados de átomos com caráter metálico.

Num metal cada átomo exerce apenas uma fraca atração nos elétrons mais externos, da camada de valência, que podem então fluir livremente, proporcionando a formação de íons positivos (ou cátions) e o estabelecimento de ligações iônicas com não-metais. Os elétrons de valência são também responsáveis pela alta condutividade dos metais (teoria de bandas).

Os metais são um dos três grupos dos elementos distinguidos por suas propriedades de ionização e de ligação, junto com os metalóides (Essa primeira classificação está caindo em desuso, por isso os metalóides foram revisados e alguns foram classificados tanto para metais, como outros para ametais) e os não-metais. A maioria dos metais é quimicamente estável, com a exceção notável dos metais alcalinos e alcalino-terrosos, encontrados nas duas primeiras colunas à esquerda da tabela periódica. Alguns elementos antes classificados como metalóides, hoje são considerados metais, são esses o Germânio, Antimônio e Polônio, o resto são considerados ametais.

Os metais apresentam grande diversidade de propriedades físicas e químicas, conforme a pressão, temperatura e outras variáveis. Diferentes tipos de mecanismos e estruturas de cristalização, o que também lhe altera as características.

Geralmente, os metais apresentam ordenação cristalina simples, com alto nível de aglutinação atômica (o que implica alta densidade) e numerosos elementos de simetria. No que se refere às combinações, apresentam forte tendência a não formar compostos entre si, mas têm afinidade com elementos não metálicos como o oxigênio e o enxofre, com os quais formam, respectivamente, óxidos e sulfetos.

O tamanho, forma e disposição das partículas metálicas, especificados pela metalografia, são fundamentais para o reconhecimento das propriedades físicas que determinam a plasticidade, resistência à tração, dureza e outras propriedades do material. Esses fatores podem ser alterados por tratamentos térmicos (ciclos de aquecimento resfriamento controlados) ou mecânicos (forjamento, trefilação, laminação, etc.).

Aço é uma liga metálica formada essencialmente por ferro e carbono, com percentagens deste último variando entre 0,008 e 2,11%. Distingue-se do ferro fundido, que também é uma liga de ferro e carbono, mas com teor de carbono entre 2,11% e 6,67%.

A diferença fundamental entre ambos é que o aço, pela sua ductibilidade, é facilmente deformável por forja, laminação e extrusão, enquanto que uma peça em ferro fundido é muito frágil.

O aço pode ser classificado da seguinte maneira: Quantidade de carbono; Composição química; Quanto à constituição micro estrutural; Quanto à sua aplicação.

A classificação mais comum é de acordo com a composição química, dentre os sistemas de classificação química o SAE é o mais utilizado, e adota a notação ABXX, em que AB se refere a elementos de liga adicionados intencionalmente, e XX ao percentual em peso de carbono multiplicado por cem.

Além dos componentes principais indicados, o aço incorpora outros elementos químicos, alguns prejudiciais, proveniente da sucata, do mineral ou do combustível empregue no processo de fabricação, como o enxofre e o fósforo. Outros são adicionados intencionalmente para melhorar algumas características do aço para aumentar a sua resistência, ductibilidade, dureza ou outra, ou para facilitar algum processo de fabrico, como usinabilidade, é o caso de elementos de liga como o níquel, o cromo, o molibdênio e outros.

No aço comum o teor de impurezas (elementos além do ferro e do carbono) estará sempre abaixo dos 2%. Acima dos 2 até 5% de outros elementos já pode considerado aço de

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baixa-liga, acima de 5% é considerado de alta-liga. O enxofre e o fósforo são elementos prejudicais ao aço, pois acabam por intervir nas suas propriedades físicas, deixando-o quebradiço. Dependendo das exigências cobradas, o controle sobre as impurezas pode ser menos rigoroso ou então podem pedir o uso de um anti sulfurante como o magnésio e outros elementos de liga benéficos. Existe uma classe de aços carbono, conhecida como aços de fácil usinabilidade, que contém teores mínimos de fósforo e enxofre. Estes dois elementos proporcionam um melhor corte das ferramentas de usinagem, promovendo a quebra do cavaco e evitando a aderência do mesmo na ferramenta. Estes aços são utilizados quando as propriedades de usinabilidade são prioritárias, em relação às propriedades mecânicas e microestruturais, (peças de baixa responsabilidade).

O aço inoxidável é um aço de alta-liga com teores de cromo e de níquel em altas doses (que ultrapassam 20%.) os aços inoxidáveis podem ser divididos em três categorias principais: aços inoxidáveis austeníticos, os quais contém elevados teores de cromo e níquel, os aços inoxidáveis martensíticos, que contém elevado teor de cromo, com baixo teor de níquel e teor de carbono suficiente para se alcançar durezas médias ou altas no tratamento térmico de têmpera, e os aços inoxidáveis ferríticos, que contém elevado teor de cromo e baixos teores de níquel e carbono. Este último e o tipo austenítico não podem ser temperados.

O aço é atualmente a mais importante liga metálica, sendo empregue de forma intensiva em numerosas aplicações tais como máquinas, ferramentas, em construção, etc. Entretanto, a sua utilização está condicionada a determinadas aplicações devido a vantagens técnicas que oferecem outros materiais como o alumínio no transporte por sua maior leveza e na construção por sua maior resistência a corrosão, o cimento (mesmo combinado com o aço) pela sua maior resistência ao fogo e a cerâmica em aplicações que necessitem de elevadas temperaturas.

Ainda assim, atualmente emprega-se o aço devido a sua nítida superioridade frente às demais ligas considerando-se o seu preço. Já que:

● Existem numerosas jazidas de minerais de ferro suficientemente ricas, puras e fáceis de explorar, além da possibilidade de reciclar a sucata.

● Os procedimentos de fabricação são relativamente simples e econômicos, e são chamados de aciaria. Os aços podem ser fabricados por processo de aciaria elétrica, onde se utiliza eletrodos e processo de aciaria LD, onde se utiliza sopro de oxigênio no metal líquido por meio de uma lança.

● Apresentam uma interessante combinação de propriedades mecânicas que podem ser modificados dentro de uma ampla faixa variando-se os componentes da liga e as suas quantidades, mediante a aplicação de tratamentos.

● A sua plasticidade permite obter peças de formas geométricas complexas com relativa facilidade.

● A experiência acumulada na sua utilização permite realizar previsões de seu comportamento, reduzindo custos de projetos e prazos de colocação no mercado.

Tal é a importância industrial deste material que a sua metalurgia recebe a denominação especial de siderurgia, e a sua influência no desenvolvimento humano foi tão importante que uma parte da história da humanidade foi denominada Idade do Ferro, que se iniciou em 3500 a.C., e que, de certa forma, ainda perdura.

Os elementos de liga são elementos químicos adicionados a uma matriz visando à formação de ligas metálicas. Os metais são geralmente utilizados na forma de ligas metálicas, ou seja, consistem em misturas de dois ou mais materiais dos quais, pelo menos um, é metal. A liga mantém as propriedades metálicas.

O carbono é o principal elemento de liga do aço, cuja influência é decisiva para a resistência, a forjabilidade, a soldabilidade e a temperabilidade.

A adição de elementos de liga tem o objetivo de promover mudanças na microestrutura do material, o que se reflete nas suas propriedades macroscópicas físicas e mecânicas, permitindo ao material desempenhar funções específicas.

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1. A IMPORTÂNCIA DOS METAIS

Historicamente, o fim da Idade da Pedra e o início da Idade dos Metais ocorreu a cerca de 4500aC, quando começaram a ser utilizados os primeiros utensílios de metal. Estes novos objetos constituíam uma vantagem tecnológica, já que as armas e ferramentas de metal eram mais resistentes e mais sofisticadas, o que levou a uma melhoria na qualidade de vida dos povos que as usavam.

Os metais vieram modificar profundamente a sociedade humana ao acentuar a hierarquização social que viria a dar origem à nossa sociedade moderna, já que os adornos e armas de metal eram objetos preciosos só possuídos por alguns. Além disso, permitiram um maior desenvolvimento do comércio.

O domínio da técnica de trabalhar os metais foi sendo uma aprendizagem progressiva, em que o metal mais utilizado foi variando de época para época, razão pela qual a Idade dos Metais é geralmente dividida em várias eras.

Os metais constituem 80% da tabela periódica e a maior parte destes encontram-se combinados com outros elementos como o Oxigênio.

ERA DO COBRE ● 4500aC; ● Anatólia; ● Dúctil e maleável, encontra-se concentrado em numerosos minérios (pepitas),

embora seja pouco abundante na crosta terrestre (cerca de 0.068% em peso). Um dos primeiros objetos de metal a serem produzidos era pequenas contas de metal

brilhantes. Essas contas eram obtidas através de martelamento: eram moldadas a frio usando pedras. A técnica de derreter o metal surgiu posteriormente.

Pensa-se que essas contas fossem usadas como objetos de adorno. Foi apenas a partir de 4500aC que o metal passou a ser derretido, nascendo assim a metalurgia. Foi esta nova técnica que permitiu o aparecimento das ligas metálicas.

ERA DO BRONZE ● 1500aC; ● Mediterrâneo Oriental; ● É uma liga metálica de cobre e estanho com maior resistência e mais facilmente

fundível que o cobre. Nesta era o processo de fundição, em que o metal é moldado a quente, estava já

aperfeiçoado. Depois de separar os metais das rochas estes eram moídos e vazados para um recipiente de terracota. Eram assim levados a um forno (aquecido até cerca de 1200°C por meio de foles ligados a fogueiras) onde fundiam, sendo se seguida colocados em moldes de pedra. Depois de sólidos o artífice aperfeiçoava o objeto, limando-o e decorando-o.

O Ouro, metal resistente, inalterável e fácil de trabalhar. Embora não exista uma era do ouro este metal também teve um importante papel histórico. Muito mais raro que os outros metais, é mais simples de trabalhar e, devido ao seu brilho e beleza passou a ter

grande valor.

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IDADE DO FERRO ● 1200aC; ● Irão, Síria, Anatólia, Palestina; ● Dúctil e maleável a frio torna-se plástico a quente. Pode ligar-se diretamente a muitos

não metais. Na Europa, a idade do Ferro encontra-se dividida em Primeira Idade do Ferro, que dura

até 500aC, e Segunda Idade do Ferro, que dura até a conquista romana. Pensa-se que o primeiro ferro produzido tenha sido por acaso, quando algum do seu minério tenha sido usado nas fogueiras em vez de pedras. Embora este metal já fosse conhecido desde 3000aC, só passou a ser usado por volta de 1200aC quando as reservas de cobre e estanho começaram a rarear.

Foi já no século XVII que o ferro passou a ser produzido através de um novo método – a “incarbonização” – em que se adicionava carbono ao metal de modo a este ser mais resistente, dando origem ao aço.

AÇO ● 1857; ● Liga ferrosa (com cerca de 0.03% a 1.4% de carbono) de baixo custo e muito

resistente. O aço é conhecido desde a antiguidade (o aço mais antigo provem de Riaz, África, e data

de 1400aC), mas só se tornou verdadeiramente importante depois de 1857, quando Henry Bessemer desenvolveu um novo método de produção que permitiu baixar muito o custo do material. Assim o aço pode, por exemplo, substitui o ferro fundido nas construções o que permitiu a construção de arranha-céus, já que é mais rígido que o ferro.

NOVOS MATERIAIS

● Alumínio Embora seja o metal mais abundante da crosta terrestre, o alumínio foi pela primeira

vez isolado apenas em 1827, por Friedrich Wöhler, e só no final desse século que passou a ser produzido em escala industrial, quando um novo método de extração, mais barato, foi descoberto. Desde o início do século XX que se recicla alumínio, mas foi apenas a partir da década de 60 que esse processo passou a ser largamente utilizado.

● Ligas com memória São várias ligas, das quais a mais conhecida é o Nitinol (liga de níquel e titânio),

descobertas nos anos 30 do século XX, que possuem a capacidade de, depois de serem severamente deformadas, recuperarem a sua forma original ao serem aquecidas. Têm sido aplicadas em várias áreas tais como aeronáutica, robótica e medicina.

● Compósitos Os compósitos surgiram em meados do século XX e são materiais compostos por dois

ou mais materiais diferentes, tais como um metal e um polímero. Os compósitos têm assim características diferentes dos materiais que os originaram sendo, por exemplo, mais resistente e rígido, com grande capacidade de amortecimento, resistem bem a altas temperaturas, não corroem nem se desgastam. São usados na aeronáutica, indústria automóvel e construção civil, mas prevê-se que tenham mais aplicações no futuro.

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● Outros materiais Atualmente começam a ser desenvolvidos outros materiais, com novas propriedades

tais como os semicondutores (sólidos cristalinos com uma condutividade térmica entre os condutores e os isolantes, muito usados em eletrônica), o Kevlar (um polímero sete vezes mais resistente que o aço e muito leve usado em coletes a prova de bala, aviões, cordas, entre outros) os nanomateriais (materiais desenhados à escala atômica), e claro os polímeros, entre outros.

Os metais são utilizados com frequência no nosso dia a dia. Quando vamos a passar na

rua podemos ver inúmeras utilizações dos metais. Dos carros, candeeiros de rua às portadas das janelas e aos portões das nossas casas, em todos encontramos na sua constituição metais. O nosso celular, o nosso computador, instrumentos musicais, entres outros objetos que todos utilizamos tanto na nossa vida pessoal como profissional são alguns dos muitos exemplos de objetos que são constituídos, mesmo que não seja na totalidade, por metais. Se tentássemos imaginar as nossas vidas sem essas utilizações de metal provavelmente não iríamos reconhecer as nossas casas (se estas resistissem) nem os nossos carros, que não deveriam continuar a funcionar, e por ai fora.

O Cobre e o Ferro são metais muito importantes na vida do Homem porque são muito

utilizados. Outros metais importantes, que se podem ligar anteriores tornando-os mais resistentes e com probabilidades menores de haver corrosão, são, por exemplo, o Zinco, o Estanho, o Berílio, o Níquel e o Cromo. Outros metais indispensáveis na vida moderna são o Alumínio e o Titânio.

O Ferro (que corresponde a cerca de 95% da produção mundial de metal) é largamente usado em automóveis, barcos e edifícios, devido ao seu baixo preço e resistência. É por vezes substituído pelo aço, quando uma maior dureza é necessária.

O Cobre é especialmente usado em equipamentos elétricos tais como: motores elétricos, nas instalações elétricas (cabos, interruptores, etc.). Há também muitas moedas de cobre.

O Zinco era muito usado na produção de latão e pelo seu baixo consumo energético. O estanho é principalmente usado em ligas como o bronze, o metal de sino, o metal

Babbitt, a liga de carcaça, o pelter, o bronze fosforoso, a solda macia, e metal branco. É também essencial a produção de vidro, sabões, sabonetes, perfumes, papel, medicamentos e fungicidas. As folhas que embrulham o chocolate ou os cigarros, por exemplo, são de estanho.

O berílio é usado nos reatores nucleares e também para filtrar a radiação visível quando fazemos um raio-X. É também usado em vários equipamentos de informática.

O Alumínio era usado pela facilidade com que se lhe dava forma, pela sua baixa densidade e pela sua elevada resistência à corrosão. O alumínio foi muito importante no desenvolvimento dos transportes e da aeronáutica principalmente quando se deu a crise

O Ferro, um metal muito utilizado: A palavra “Ferro” pode ter vários sentidos, dependendo do contexto em que a utilizarmos. Por um lado podemo-nos referir ao material que é utilizado, por exemplo, para construir linhas de caminhos-de-“ferro”, na construção de edifícios e até em alguns utensílios domésticos. Por outro, podemo-nos referir aos íons Ferro que constituem, por exemplo, a ferrugem. Esses íons são iguais ao átomo correspondente, mas com carência de elétrons e formam-se quando o ferro se oxida. A ferrugem não tem a consistência do ferro e ocupa mais espaço. Esse processo, a oxidação, é um processo lento principalmente se tomar algumas medidas anti-corrosão o que diminui muitos dos prejuízos causados pela ferrugem. Mas essa oxidação não tem só efeitos prejudiciais, por exemplo, sem a sua existência não existiam as pilhas.

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petrolífera e para diminuir o consumo dos transportes se teve de mudar a sua constituição para metais mais leves.

Com o Titânio a espessura das camadas das chapas diminuiu e, além disso, este metal era também mais leve e foi também utilizado na construção de veículos.

A investigação e o desenvolvimento da metalurgia permitem cada vez mais um profundo conhecimento das propriedades tanto físicas como químicas dos metais o que leva a que cada vez mais seja mais fácil de modificar a composição dos metais para se adaptarem as nossas necessidades. Estas modificações não têm só vantagens e como as chapas são cada vez mais finas e preciso redobrar o cuidado a ter com problemas como a corrosão. Para tentar combater e proteger as peças formadas com esse metal foi inventado processos como a niquelagem, a cromagem e a estanhagem.

Recentemente, os metais têm também sido muito utilizados na medicina onde, por exemplo, o aço inoxidável o titânio e a prata são utilizados para reparar fraturas de ossos.

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2. A IMPORTÂNCIA DOS TRATAMENTOS TÉRMICOS

As propriedades mecânicas, bem como o desempenho em serviço, de um metal e em especial das ligas dependem da sua composição química, da estrutura cristalina, do histórico de processamento e dos tratamentos térmicos realizados. De forma simplificada os tratamentos térmicos podem ser descritos por: são ciclos de aquecimento e resfriamento controlados em material metálico (metal ou liga) que causam modificações na microestrutura do mesmo. Essas modificações têm por consequência alterações nas propriedades mecânicas e no comportamento em serviço.

Figura 1 - Representação esquemática de ciclos de tratamentos térmicos para o aço

A Figura 2 ilustra o efeito de diferentes tratamentos térmicos nas propriedades mecânicas de um aço AISI 1040. Observa-se que em um único aço, isto é, com a mesma composição química, podem ser obtidas propriedades mecânicas muito diferentes realizando-se tratamentos térmicos distintos.

Figura 2 - Aço 1040 submetido a diferentes tratamentos térmicos. Tratamentos térmicos: Quenched

(têmpera), tempered (revenimento), annealed (recozimento)

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O tratamento térmico às vezes acontece inadvertidamente, como “efeito colateral” de um processo de fabricação que cause aquecimento ou resfriamento no metal, como nos casos de soldagem e de forjamento.

O tratamento térmico é normalmente associado com o aumento da resistência do material, mas também pode ser usado para melhorar a usinabilidade1, a conformabilidade2 e restaurar a ductilidade3 depois de uma operação a frio. Logo, o tratamento térmico é uma operação que pode auxiliar outros processos de manufatura e/ou melhorar o desempenho de produtos, aumentando sua resistência ou alterando outras características desejáveis.

Os aços são especialmente adequados para o tratamento térmico, uma vez que: ● respondem satisfatoriamente aos tratamentos, em termos das características

desejadas; ● seu uso comercial supera o de todos os demais materiais. Os aços são tratados para uma das finalidades abaixo: AMOLECIMENTO - (softening) O amolecimento é feito para redução da dureza4, remoção de tensões residuais,

melhoria da tenacidade5, restauração da ductilidade, redução do tamanho do grão ou alteração das propriedades eletromagnéticas do aço.

Restaurar a ductilidade ou remover as tensões residuais6 é uma operação necessária quando uma grande quantidade de trabalho a frio tenha sido executada (como laminação7 a frio ou trefilação8).

As principais formas de amolecimento do aço são: recozimento de recristalização, recozimento pleno, recozimento de esferoidização e normalização.

ENDURECIMENTO – (hardening) O endurecimento dos aços é feito para aumentar a resistência mecânica, a resistência

ao desgaste e a resistência à fadiga9. O endurecimento é fortemente dependente do teor de carbono do aço. A presença de elementos de liga possibilita o endurecimento de peças de grandes dimensões, o que não seria possível quando do uso de aços comuns ao carbono.

Os tratamentos de endurecimento são: têmpera, austêmpera, e martêmpera. Para aumentar a resistência ao desgaste é suficiente a realização de um endurecimento

superficial (que também leva ao aumento da resistência a fadiga). Pode-se assim proceder a uma têmpera superficial ou a um tratamento termo-químico, que consiste na alteração da composição química da superfície pela difusão de elementos como carbono, nitrogênio e boro.

MODIFICAÇÃO DAS PROPRIEDADES DO MATERIAL O tratamento térmico, a rigor, é usado para modificar as propriedades dos materiais.

Estes processos modificam o comportamento dos aços de um modo benéfico, de forma a maximizar a vida útil das partes (alívio de tensões), ou as propriedades de resistência (tratamento criogênico), ou alguma outra propriedade desejada (envelhecimento).

Foi selecionada uma amostra de aço com médio teor de carbono – Aço 1040 – para ser

analisada metalograficamente10. Essa amostra passou por um lixamento e posteriormente por um pré-polimento para facilitar e diminuir o tempo na politriz11, sendo realizado

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posteriormente o ataque químico. Esse ataque foi feito com o NITAL 2% (2% ácido nítrico e 98%de álcool etílico), revelando os contornos de grão de ferrita e nas estruturas de martensita com presença de ferrita.

Na Figura 3 está registrada a análise micrográfica realizada em microscópio óptico,

com aumento de 100, 200 e 400 vezes, respectivamente. Já na Figura 4 temos a micrografia da amostra submetida à têmpera em óleo, com aumentos de 100, 200 e 400 vezes, respectivamente.

Figura 3 - Aço 1040, aumento de 100X, 200X e 400X, ataque com NITAL 2%

Figura 4 - Aço 1040 temperado em óleo, aumento de 100X, 200X e 400X, ataque com NITAL 2%

Na Figura 5, temos a fotografia da amostra submetida à cementação por 4 horas a

1000°C, com aumento de 100 vezes.

Figura 5 - Aço 1040 cementado por 4 horas a 1000°C, aumento de 100X, ataque com NITAL 2%

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Os fatores que determinam os tipos de tratamentos térmicos são: temperatura, taxas de aquecimento e resfriamento, tempo de permanência em uma determinada temperatura. A escolha adequada desses elementos está diretamente relacionada com a estrutura das ligas.

Esquematicamente, a estrutura das ligas e os tratamentos térmicos relacionados com essas ligas são apresentados a seguir.

Metal puro + Elemento de Liga = Liga

Ligas ferrosas Aços

Ferros fundidos

Tratamento Térmico: têmpera, recozimento, normalização, revenimento.

Ligas não-ferrosas Aços inoxidáveis

Tratamento Térmico: solubilização, envelhecimento e recozimento.

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3. FATORES QUE INFLUENCIAM O TRATAMENTO TÉRMICO Sempre que fizermos um tratamento térmico, o seu sucesso ou fracasso será

determinado por alguns fatores-chave que deverão ser muito bem observados. Um erro de avaliação de um deles fará com que tenhamos como resultado uma microestrutura diferente da prevista e por consequência um material com propriedades diferentes das desejadas.

Os tratamentos térmicos devem sempre envolver ciclos de aquecimento e resfriamento ou, em outras palavras, a aplicação controlada de temperatura. Para a compreensão e principalmente o controle adequado de um tratamento térmico, os principais fatores que devem ser considerados são:

a) Aquecimento e resfriamento; b) Tempo de permanência à temperatura; c) Ambiente de aquecimento e resfriamento; d) Proteção das peças.

AQUECIMENTO E RESFRIAMENTO Levando-se em consideração que o objetivo fundamental do tratamento térmico é a

modificação das propriedades mecânicas do material, verifica-se que isso só é possível mediante uma modificação na estrutura interna, ou seja, transformação na estrutura original. Assim, é necessário que o material considerado seja aquecido a uma temperatura que permita que transformações internas ocorram.

Essa temperatura, em geral, deve ser superior à temperatura de recristalização do material, no caso dos aços é a temperatura crítica, ou temperatura de austenitização (temperatura na qual a austenita é estável).

As ligas metálicas apresentam temperaturas de recristalização diferentes, desde relativamente baixas até muito elevadas, próximas ao ponto de fusão do material. Neste último caso, para o aquecimento, deve ser considerado o fator velocidade de aquecimento.

A velocidade de aquecimento não pode ser muito lenta, pois baixas velocidades conduzem a um crescimento de grão o que, na maioria das vezes, prejudica as propriedades mecânicas. Por outro lado, materiais em elevado estado de tensões internas não podem ser aquecidos muito rapidamente, o que poderá provocar empenamento ou mesmo aparecimento de fissuras na peça. Em certos casos, onde a temperatura final é muito elevada, é comum subdividir o aquecimento em duas ou três etapas, para evitar tempo muito longo de aquecimento, excessivo crescimento de grão e choque térmico, no caso de se colocar o material diretamente da temperatura ambiente a temperatura elevada.

O resfriamento subsequente completa as alterações estruturais e confere ao material as propriedades mecânicas desejadas.

Há necessidade de dispor-se de equipamento ou “fornos” e instrumentação adequada para o aquecimento, o controle e o registro das temperaturas.

A Figura 6 exibe parte ampliada do diagrama Fe-C. Corresponde à região 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.

Linha A3 para aços hipoeutetóides e Acm para aços hipereutetóides.

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Figura 6 – Diagrama de Fases Fe-C

TEMPO DE PERMANÊNCIA À TEMPERATURA A influência do tempo de permanência à temperatura de aquecimento é semelhante à

influência da máxima temperatura de aquecimento, ou seja, o tempo à temperatura deve ser o suficiente para que as peças se aqueçam de modo uniforme, através de toda sua seção. Deve-se evitar manter a peça em tempo superior ao necessário, pois pode haver indesejável crescimento de grão, bem como em determinadas ligas, uma maior possibilidade de oxidação. Geralmente, para se calcular o tempo de permanência à temperatura, considera-se 1 hora por polegada de espessura da peça, considerando a seção de maior espessura da mesma. No caso de peças temperadas e revenidas, o tempo de permanência na temperatura de revenido será igual ao tempo calculado para a têmpera, acrescido de 1 hora. Ao tempo de permanência à temperatura dá-se o nome de tempo de patamar ou tempo de encharque12.

O gráfico da Figura 7 é um exemplo aproximado para um aço eutetóide, considerado inicialmente em temperatura na região da austenita (acima de 727°C, linha A) e posteriormente resfriado.

Figura 7 – Curva TTT

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Essas curvas são conhecidas como TTT (tempo, temperatura, transformação). Exemplo: se rapidamente resfriado para T = 500°C e mantido nessa temperatura, a

transformação da austenita começa em t0 e termina em t1. Ou melhor, a curva vermelha marca o 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 carboneto de ferro fino), de dureza maior que a perlita anterior e, de forma similar, mais dura em temperaturas mais baixas.

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

A formação da martensita é o princípio básico da têmpera dos aços, isto é, o tratamento térmico 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.

AMBIENTE DE AQUECIMENTO E RESFRIAMENTO Aquecimento Em certas ligas metálicas, a atmosfera comum pode provocar alguns fenômenos

prejudiciais, como o caso dos aços, onde duas reações muito comuns podem causar alguns problemas:

Oxidação: resulta em formação de uma película oxidada “casca de óxido”. Descarbonetação: resulta na formação de uma camada mais mole na superfície do aço. A descarbonetação, que pode acontecer junto com a oxidação, considerada como uma

oxidação do carbono. Esses fenômenos são evitados pelo emprego de uma atmosfera protetora ou controlada

no interior do forno. As atmosferas protetoras mais comuns são as obtidas pela combustão total ou parcial do carvão, óleo ou gás, pelo emprego de hidrogênio, nitrogênio amônia dissociada e, eventualmente, do vácuo. Banhos de sal também constituem um eficiente ambiente protetor.

Resfriamento Este é o fator mais importante para certas ligas, entre as quais os aços são as mais

consideradas do ponto de vista de tratamentos térmicos. Nessas ligas, modificando-se a velocidade de resfriamento após permanência adequada à temperatura de aquecimento, pode-se obter mudanças estruturais que promovem o aumento da ductilidade ou elevação da dureza e da resistência mecânica.

A escolha do meio de resfriamento é fundamental no processo. Contudo, a forma da peça, no que se refere a grandes alterações dimensionais, seções muito finas, etc., pode levar à escolha dos meios de resfriamento diferentes dos que teoricamente seriam os mais indicados.

Um meio muito drástico de resfriamento, como solução aquosa, conduz ao aparecimento de elevadas tensões internas que prejudicam a qualidade final da peça, obrigando à seleção de um meio mais brando que, por outro lado, pode não representar a

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solução ideal, pois impede que as modificações estruturais visadas se realizem completamente. Nessas condições, procura-se frequentemente uma nova composição da liga que possa admitir o emprego de um resfriamento mais severo, sem prejudicar a estrutura final da peça.

Os meios mais utilizados industrialmente para o resfriamento, a partir do mais rápido (o mais agressivo), são os seguintes:

1) Solução Aquosa a 10% de NaCl ou NaOH ou Na2CO3 2) Água 3) Óleos com Várias Viscosidades 4) Ar 5) Vácuo Por outro lado, conforme esses meios estejam em agitação ou em repouso, sua

velocidade é igualmente alterada, de modo que a prática dos tratamentos térmicos deve levar em conta esse fato.

PROTEÇÃO DAS PEÇAS Se um aço for aquecido até temperatura acima de 600°C em uma atmosfera rica em

oxigênio, como, por exemplo, o ar ambiente, ocorrerá na superfície da peça um fenômeno chamado de descarbonetação. A descarbonetação nada mais é do que a combinação do carbono do aço com o oxigênio livre do ambiente. Este processo conduz à perda de carbono do aço a partir da sua superfície, fazendo com que a peça fique com uma camada com teor reduzido em carbono. A espessura desta camada dependerá do tempo e da temperatura em que a peça ficará exposta a estas condições. Obviamente esta é uma situação normalmente indesejável, pois a diminuição do teor de carbono conduzirá a uma diminuição na dureza. Este fato se torna mais grave quando realizamos um tratamento térmico de têmpera, pois uma diminuição no teor de carbono provoca uma queda sensível na dureza, já que a dureza da martensita depende do teor de carbono. Assim sendo, as peças submetidas a tratamentos térmicos deverão ser protegidas por uma atmosfera neutra que impeça a descarbonetação. Isto pode ser conseguido utilizando-se fornos que produzam este tipo de atmosfera ou, caso isto não seja possível, deve-se envolver as peças em uma substancia rica em carbono como cavacos de ferro fundido ou carvão.

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4. PRINCIPAIS TIPOS DE TRATAMENTOS TÉRMICOS

Os processos térmicos se caracterizam pelo aquecimento das peças, permanência numa dada temperatura, podendo ou não receber substâncias que são agregadas à sua estrutura; resfriamento em velocidades, ritmos e condições diferentes.

4.1. RECOZIMENTO O processo de recozimento é aplicável a aços que possuem baixo ou médio teor de

carbono, isto é, para aços que possuam até 0,5% de carbono ou para teores mais elevados desde que não possuam elementos de liga. O objetivo deste tratamento é o de conferir uma dureza baixa, resistência mecânica baixa e uma ductilidade alta. É aplicável a peças em que se deseja fazer usinagem ou conformação mecânica. Basicamente este processo consiste no aquecimento do material até a temperatura de austenitização seguindo-se um resfriamento lento até a temperatura ambiente. Geralmente basta que a peça seja deixada no forno desligado, produzindo-se um resfriamento lento. Esta forma de resfriamento é aplicável para aços de baixa e média temperabilidade13. Neste caso o recozimento será dito recozimento convencional ou recozimento pleno.

Para os aços que possuem temperabilidade mais alta muitas vezes pode ser necessário diminuir muito a velocidade de resfriamento para que a dureza seja suficiente baixa. Nestes casos será necessário proceder à transformação a uma temperatura constante ou quase constante. Este procedimento dá origem ao que se convenciona chamar de recozimento isotérmico. A diferença deste processo para o de esferoidização é que as temperaturas são mais baixas fazendo com que os tempos sejam menores. De qualquer modo este tratamento conduz a tempos maiores do que os do recozimento convencional e este fator deve ser considerado quando o realizarmos.

Como já foi citado anteriormente o recozimento visa à obtenção de perlita grosseira por ser esta a estrutura que propícia as propriedades desejadas.

Existem, basicamente, 3 tipos principais de recozimento: 1) Recozimento pleno; 2) Recozimento subcrítico / alívio de tensões; 3) Esferoidização.

A Figura 8 (ao lado) é o diagrama de

transformação da austenita versus tempo, acrescido da

curva de resfriamento típica do recozimento

(linha contínua com seta).

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RECOZIMENTO PLENO O recozimento pleno ou simplesmente recozimento, consiste em austenitizar o aço,

resfriando-o lentamente a seguir. A temperatura de autenitização14 deve ser de mais ou menos 50°C acima de 723°C.

1- Aquecer a peça até, pelo menos, 50°C acima da temperatura de austenitização; 2- Cumprir o tempo de encharque previsto; 3- Resfriar de forma lenta, normalmente dentro do forno desligado. RECOZIMENTO SUBCRÍTICO OU ALÍVIO DE TENSÕES É aquele em que o aquecimento se dá a uma temperatura abaixo da temperatura de

austenitização. O recozimento subcrítico é usado para recuperar a ductilidade do aço trabalhado a frio (encruado15).

1- Aquecer a uma temperatura entre 600°C e 680°C; 2- Cumprir o tempo de patamar; 3- Resfriar lentamente ao ar livre. ESFEROIDIZAÇÃO Consiste em operações de aquecimento e resfriamento que visam deixar o carboneto de

ferro (cementita) o mais arredondado possível, melhorando a ductilidade e a tenacidade do aço.

Há vários métodos para se obter uma estrutura de carbonetos esferoidizados em matriz ferrítica.

Por exemplo: 1) Manutenção por tempo prolongado à temperatura pouco abaixo de 723°C; 2) Aquecimento e resfriamento alternantes entre 2 temperaturas pouco acima e pouco

abaixo de 723°C; 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 723°C. Manter nesta temperatura, conforme o método 1, ou seguir o método 2.

Figura 9 – Microestrutura ferrítica-perlítica de

uma aço SAE 1045 laminado a quente

Figura 10 – Microestrutura obtida após

recozimento de esferoidização

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OUTROS TIPOS DE RECOZIMENTO Recozimento azul Recozimento realizado em condições tais que se forme uma superfície metálica uma

camada de óxido uniforme e aderente, de cor azulada. Utiliza-se para peças de ferro fundido que necessitam de menor dureza do que a obtida após a fundição.

Recozimento ferrítico Recozimento aplicado ao ferro fundido, destinado à obtenção de matriz ferrítica.

Também denominado ferritização. Utiliza-se para peças de ferro fundido que necessitem de dureza abaixo daquela obtida após a fundição.

Recozimento intermediário Recozimento realizado pela permanência em temperatura dentro da zona crítica.

Utiliza-se para peças que necessitam ser usinadas, com remoção de cavacos16, sob condições particulares.

Recozimento isotérmico Recozimento caracterizado por uma austenitização seguida de transformação

isotérmica17 da austenita na região formação da perlita. Utiliza-se para peças que necessitam ser usinadas, com remoção de cavacos e que após a usinagem, devam sofrer tratamentos térmicos finais com distorções dimensionais mínimas e sempre repetitivas para grandes séries de produção.

Recozimento para crescimento de grão Recozimento caracterizado por permanência em temperatura significativamente acima

de zona crítica, resfriamento lento até a temperatura abaixo do ponto A1 e subsequente resfriamento arbitrário até a temperatura ambiente, destinado a produzir crescimento de grão. Utiliza-se para peças que necessitam ser usinadas, com remoção de cavacos e que, após a usinagem, devem sofrer tratamentos térmicos finais com distorções dimensionais mínimas e sempre repetitivas para grandes séries de produção.

Recozimento para homogeneização Recozimento caracterizado por um aquecimento até uma temperatura

consideravelmente acima do ponto AC3, longa permanência nessa temperatura e resfriamento adequado ao fim em vista, para eliminação de variações locais de composição do material.

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 aos seus limites de escoamento e de resistência.

Recozimento para solubilização Recozimento em consequência do qual um ou mais constituintes entram em solução.

Geralmente caracterizado por um resfriamento rápido destinado à retenção daqueles constituintes em solução na temperatura ambiente. Também denominado solubilização. Utiliza-se para peças que, durante as diversas etapas de produção, apresentam segregações dos elementos de liga da matriz básica.

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4.2. TÊMPERA O tratamento térmico de têmpera nos aços tem como objetivo a obtenção de uma

microestrutura que proporcione propriedades de dureza e resistência mecânica elevadas. Neste processo, a região a ser temperada é inicialmente aquecida à temperatura de austenitização e em seguida, é submetida a um resfriamento rápido.

A microestrutura resultante é composta predominantemente de martensita, uma fase que apresenta elevada dureza. Durante o processo de resfriamento, a queda da temperatura promove transformações estruturais que acarretam o surgimento de tensões internas. O desenvolvimento destas tensões internas, por sua vez, influencia a cinética das transformações de fase, alterando as temperaturas em que estas transformações ocorrem. Desta forma, é necessário conhecer o comportamento termomecânico do aço durante todo o processo para descrever adequadamente um tratamento térmico como a têmpera. A têmpera em aços é, portanto, um problema complexo que envolve o acoplamento entre fenômenos térmicos, de transformação de fase e mecânicos.

É importante ressaltar que o aquecimento deve ser lento no início, a fim de não provocar defeitos no metal. A manutenção da temperatura varia de acordo com a forma da peça e o tempo nessa fase deve ser bem controlado. Em seguida, o aço é submetido a um resfriamento rápido, provocando a obtenção de uma estrutura martensítica.

O processo provoca algumas deficiências no aço, como a redução da ductilidade e da tenacidade, além de tensões internas que podem ocasionar deformação, empenamento e fissuração. Por conta disso, é recomendável que o aço temperado seja submetido ao revenimento.

PROCEDIMENTOS PARA A REALIZAÇÃO DA TÊMPERA 1- Aquecer a peça até 50°C acima da temperatura de austenitização; 2- Cumprir o tempo de patamar; 3- Resfriar o mais rápido possível em: água, ou óleo, ou polímero etc.

Figura 11 – Fotomicrografia da seção reta da parede de um tubo de aço SAE 1045 no estado

de entrega

Figura 12 – E após o tratamento de têmpera e revenimento por indução eletromagntica-

1100X

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ETAPAS DE RESFRIAMENTO NA TÊMPERA A têmpera em meio líquido ocorre em três estágios, à proporção que a peça esfria. 1. Formação de filme contínuo de vapor sobre a peça. Este estágio deve ser tão curto quanto possível. A água apresenta um estágio de filme

contínuo particularmente longo. Para aliviar este problema pode-se agitar a peça durante o início da têmpera para romper o filme.

2. Formação discreta da bolha de vapor sobre a peça. Quando a peça esfria o suficiente, o filme contínuo de vapor dá lugar à formação e

subsequente desprendimento de bolhas. Neste estágio, também é importante a agitação (ou circulação forçada do meio de têmpera), para se evitar a permanência de bolhas sobre os mesmos pontos por tempos longos, causando pontos resfriados mais lentamente, chamados pontos moles.

3. Resfriamento por condução e convecção. Neste estágio, a peça já atingiu superficialmente uma temperatura insuficiente para

vaporizar o meio de têmpera. Este estágio é controlado, basicamente, pela capacidade calorífera do meio de têmpera, pelas condições interfaciais peça-meio de têmpera e pela agitação. A água apresenta um 3° estágio extremamente rápido.

TÊMPERA SUPERFICIAL A têmpera superficial consiste em produzir-se uma têmpera localizada apenas na

superfície das peças de aço, que assim adquirirá as propriedades e característicos típicos da estrutura martensítica. Vários são os motivos que determinam a preferência do endurecimento superficial em relação ao endurecimento total:

● dificuldade, sob os pontos de vista prático e econômico, de tratar-se de peças de grandes dimensões nos fornos de tratamento térmico convencional;

● possibilidade de endurecer-se apenas nas áreas críticas de determinadas peças, como por exemplo, dentes de grandes engrenagens, guias de máquinas operatrizes, grandes cilindros, etc.

Por outro lado, as propriedades resultantes da têmpera superficial são: ● superfícies de alta dureza e resistência ao desgaste; ● boa resistência à fadiga por dobramento, ● boa capacidade para resistir cargas de contato; ● resistência satisfatória ao empenamento. Algumas recomendações são necessárias para obtenção dos melhores resultados: ● procurar obter camadas endurecidas pouco profundas; de fato, profundidades

maiores, desnecessárias, podem provocar o empenamento ou fissuras de têmpera ou desenvolver tensões residuais excessivamente altas, sob a camada endurecida;

● levar em conta que a espessura da camada endurecida depende de cada caso específico, tendo em vista as resistências ao desgaste e à fadiga desejada, a carga de serviço das peças, as dimensões destas e, inclusive o equipamento disponível; como exemplo deve-se lembrar que se a camada endurecida corresponder a uma fração significativa da espessura da peça pode resultar tensões residuais de compressão de pequeno valor nessa camada endurecida, de modo a ter-se melhora insignificante na resistência à fadiga.

As temperaturas de aquecimento devem proporcionar a austenitização do aço, pois

somente assim obtém-se no resfriamento posterior a martensita.

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TÊMPERA SUPERFICIAL POR CHAMA Neste processo aquece-se rapidamente, acima da temperatura crítica, a superfície a ser

endurecida, por intermédio de uma chama de oxiacetileno, seguindo-se um jato de água, em forma de borrifo, de modo a produzir uma camada endurecida até a profundidade desejada.

Existe em inúmeros dispositivos utilizados na operação. No caso mais simples de formas cilíndricas, leva-se a efeito o tratamento mediante a utilização de um dispositivo semelhante ao torno, entre as pontas do qual é colocada a peça, sendo a tocha de oxiacetileno e o bocal de água colocado no carro do torno.

A peça gira a uma velocidade periférica determinada, ao mesmo que a tocha, dimensionada de modo a abranger a área que se deseja endurecer, aquece sucessivamente a superfície, seguindo-se imediatamente o resfriamento pela água. Com esta disposição, há probabilidade de se formarem faixas mais moles com alguns milímetros de largura. Para evitar esse inconveniente, prefere-se aquecer a superfície com uma tocha de chama múltipla e forma anular, que se movimenta ao longo de peça girando rapidamente. O bocal de resfriamento apresenta também uma forma anular. A espessura da camada endurecida pode variar desde apenas uma casca superficial até cerca de 10 mm.

O dispositivo descrito, adaptado em máquina do tipo de um torno, dá uma idéia da maneira de realizar-se a têmpera superficial por chama.

O método mais simples é o chamado estacionário, em que se aquecem apenas localmente áreas selecionadas da peça, com subsequente resfriamento, ou por borrifo ou até mesmo por imersão.

Este método mais simples, porque não exige equipamento elaborado, além evidentemente do dispositivo de chama e, eventualmente, dispositivo de fixação e de controle do tempo para permitir um aquecimento mais uniforme.

As velocidades de aquecimento por chamas de oxiacetileno variam de 5 a 30 cm/minutos e, normalmente, o meio de resfriamento é água à temperatura ambiente, ou eventualmente quando se deseja uma têmpera menos severa, ar.

O método “giratório” é empregado em peças de secção circular ao semicircular, tais como rodas, cames e pequenas engrenagens na sua forma mais simples utilizam-se um mecanismo para girar a peça num plano horizontal ou vertical, ficando sua superfície sujeita à ação da chama.

Desde que se consiga um aquecimento uniforme, a velocidade de rotação é relativamente pouco importante. Depois que a superfície da peça tiver sido aquecida - por intermédio de um ou mais cabeçotes de chamas - a chama é extinta ou retirada e a peça é resfriada por imersão, borrifo ou por uma combinação de ambos os métodos.

Em contraste com o método progressivo, em que o gás combustível usado e geralmente acetileno - devido sua elevada temperatura de chama e rápido aquecimento - no método giratório, resultados satisfatórios são obtidos com gás natural (metano), propano, além de gás fabricado.

Finalmente, o método “combinado progressivo - giratório” alia os dois anteriores: a peça é girada, como no método giratório ao mesmo tempo em que a chama se movimenta de uma extremidade à outra. Somente uma faixa estreita de circunferência é aquecida progressivamente, à medida que a chama se move de uma extremidade à outra da peça. O resfriamento segue imediatamente atrás da chama.

Vários gases combustíveis podem ser usados na têmpera por chama.

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TÊMPERA POR INDUÇÃO O calor para aquecer uma peça pode ser gerado na própria peça por indução

eletromagnética18. Assim se uma corrente alternada flui através de um indutor ou bobina de trabalho, estabelece-se nesta um campo eletromagnético altamente concentrado, o qual induz um potencial elétrico na peça a ser aquecida envolvida pela bobina e, como a peça representa um circuito Fe-Chado, a voltagem induzida provoca o fluxo de corrente. A resistência da peça ao fluxo da corrente induzida causa aquecimento por perdas I2R19.

O modelo de aquecimento obtido por indução depende da forma da bobina de indução que produz o campo magnético, do número de voltas da bobinas, da frequência de operação e da forma elétrica da corrente alternada.

A velocidade de aquecimento obtida com bobinas de indução depende da intensidade do campo magnético ao qual se expõe a peça. Nesta, a velocidade de aquecimento é função das correntes induzidas e da resistência ao seu fluxo. Quando se deseja aquecimento a pequena profundidade, ou seja, camada endurecida de pequena espessura, adota-se geralmente corrente de alta frequência; baixa ou intermediárias são utilizadas em aplicações onde se deseja aquecimento a maior profundidade.

Do mesmo modo a maioria das aplicações de têmpera superficial exige densidade de força (KW/cm2) relativamente alta e ciclos de aquecimentos curtos, de modo a restringir o aquecimento à área superficial.

Camadas endurecidas da ordem de 0,25 mm são obtidas, mediante a aplicação de correntes de frequência elevada - 100hKz a 1Mhz - alta densidade de força e tempo reduzido. Camadas mais espessas, de 12 mm ou mais, são obtidas por correntes de frequência baixa - 3 a 25khz - e períodos de tempo mais longos.

Em resumo, o controle da profundidade de aquecimento é conseguido, jogando-se com

as seguintes variáveis: - forma da bobina; - distância ou espaço entre a bobina de indução a peça; - taxa de alimentação de força; - frequência; - tempo de aquecimento. Nós temos vários tipos de bobinas de indução para alta frequência, um dos tipos

consiste solenóide para aquecimento externo; entre os vários tipos temos vários e diferentes processos aplicados no aquecimento superficial por indução, pode se citar:

a) Têmpera simultânea, em que a peça a ser temperada é feita girar dentro da bobina; uma vez atingindo o tempo necessário para o aquecimento, a força é desligada e a peça imediatamente resfriada por um jato de água;

b) têmpera contínua, em que a peça, ao mesmo tempo em que gira no interior da bobina de indução, move-se ao longo do seu eixo, de modo a se ter uma aplicação progressiva de calor. O dispositivo de resfriamento está montado a certa distância da bobina.

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OUTROS TIPOS DE TÊMPERA Têmpera da camada cementada Têmpera restrita à camada periférica da peça cementada. Utiliza-se para peças

cementadas onde o núcleo deve apresentar durezas baixas. Têmpera diferencial Tratamento onde somente parte da peça segue o ciclo de temperaturas de têmpera.

Também denominada têmpera seletiva. Utiliza-se para peças que necessitam de regiões duras e algumas regiões moles.

Têmpera direta de cementação Têmpera de peça cementada diretamente da temperatura de cementação sem

resfriamento intermediário. Têmpera do núcleo Têmpera do material do núcleo de peça cementada. Utiliza-se para peças cementadas,

onde o núcleo deve apresentar durezas “médias”. Têmpera dupla Têmpera de pela cementada realizada em duas etapas. A primeira a partir da

temperatura de têmpera do material do núcleo e a segunda a partir da temperatura da têmpera do material da camada cementada. Utiliza-se para peças com camadas profundas de cementação, com a finalidade de aumentar-se a tenacidade do núcleo.

Têmpera em água Têmpera em que o agente de resfriamento (meio de têmpera) é a água. Têmpera em óleo Têmpera em que o agente de resfriamento (meio de têmpera) é o óleo. Têmpera em salmoura Têmpera em que o agente de resfriamento (meio de têmpera) é uma salmoura. Têmpera por imersão Têmpera em que o aquecimento é produzido pela imersão da peça em banho de metais

ou sais fundidos ou outro meio líquido adequado.

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4.3. REVENIMENTO OU REVENIDO O revenimento é um tratamento térmico realizado logo após a têmpera. Esse

tratamento térmico causa alívio de tensões na peça temperada, que tem por consequência uma diminuição de resistência de mecânica e também um aumento na ductilidade e na tenacidade. As temperaturas nas quais são realizados os tratamentos térmicos de revenimento estão sempre abaixo da temperatura crítica (temperatura onde se inicia a formação de austenita). No entanto, existem algumas faixas de temperatura “proibidas” em função da fragilização de alguns tipos de aços. Essas temperaturas estão em torno de 300°C e de 550°C.

PROCEDIMENTOS PARA A REALIZAÇÃO DO REVENIMENTO

1- Aquecer a peça abaixo da temperatura de austenitização; 2- Cumprir o tempo de patamar, acrescentando uma hora ao tempo determinado para a

têmpera; 3 - Resfriamento lento (ao ar tranquilo ou forçado) ou rápido (no mesmo meio de

têmpera). Dependendo da temperatura de revenido, pequenas ou grandes transformações na

estrutura martensítica podem ocorrer. Na realidade, existem duas faixas de temperaturas favoráveis para o revenido dos aços, no sentido de melhorar sua tenacidade:

- 150°C a 200°C – não há modificações estruturais sensíveis resultando apenas em um ligeiro acréscimo da tenacidade;

- acima de 425°C – nessa faixa ocorrem maiores transformações estruturais e mecânicas. Obtém-se uma melhora considerável da tenacidade, com prejuízo, porém, da resistência mecânica e da dureza.

A faixa mais baixa de temperatura é recomendada para aplicações que exigem altas

resistências mecânicas e a fadiga, em aços de médio-carbono e onde as cargas são principalmente de compressão, como em mancais e engrenagens de alto-carbono. O revenido acima de 425°C é empregado em peças cujo principal característica deva ser alta tenacidade e onde, em consequência, a resistência mecânica e a dureza são características secundárias.

FRAGILIDADE PELO REVENIDO Durante a operação de revenido, há uma faixa de temperatura (260°C a 370°C) que

provoca uma queda da tenacidade. Esse fenômeno é denominado fragilidade da martensita revenida ou fragilidade a 350°C. Outro tipo de fragilização ocorre na faixa entre 375°C e 575°C, durante o revenido nessa faixa de temperaturas ou quando o aço é resfriado lentamente através dessa mesma faixa. Esse fenômeno é conhecido como fragilidade de revenido. Não há ainda explicações convincentes para explicar os fenômenos.

A fragilidade da martensita revenida pode, ou não, estar associada com segregações de átomos impuros nos contornos de grão da austenita, antes da têmpera. A fragilidade de revenido seria causada pela presença de determinadas impurezas nos aços. De qualquer modo, para evitar os fenômenos nos aços suscetíveis aos mesmos, deve se procurar evitar o aquecimento às temperaturas prejudiciais ou procurar, pelo menos inicialmente, aumentar a velocidade de resfriamento, após o aquecimento para o revenido, para encurtar a permanência dos aços naqueles intervalos de temperatura.

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4.4. NORMALIZAÇÃO O processo de normalização produz propriedades semelhantes às obtidas no

recozimento e em virtude disto muitas vezes os dois podem ser usados alternativamente para obter baixa dureza, boa ductilidade e para eliminar estruturas provenientes de tratamentos anteriores, como é o caso de tratamentos prévios de têmpera e em peças fundidas ou forjadas. Ocorre, porém, que a normalização é feita geralmente com resfriamento das peças ao ar. Isto conduz a uma velocidade de resfriamento mais alta do que aquela do recozimento, dando como resultado uma estrutura formada por perlita mais fina. Em consequência, a ductilidade será menor do que no material recozido, sua dureza e resistência mecânica serão maiores. Por outro lado, devido à maior velocidade de resfriamento teremos um refino do grão do aço, pois a velocidade de nucleação da ferrita e da perlita será maior na medida em que tivermos temperaturas de transformação mais baixas. Outra vantagem da normalização reside no fato de que se podem utilizar temperaturas mais altas de austenitização, permitindo uma maior dissolução dos carbonetos dos elementos de liga e, no caso de aços hipereuteóides, não teremos a formação da rede de cementita em contorno de grão, como acontece no recozimento.

Normalmente não se tem maiores problemas em adotar o resfriamento ao ar para o processo de normalização, entretanto, para aços com alta temperabilidade esta velocidade pode ser excessiva, dependendo do tamanho da peça, de tal sorte que tenhamos a formação de bainita e até mesmo martensita. Nesta situação deve ser feito um tratamento a uma velocidade mais baixa de resfriamento ou um tratamento isotérmico.

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4.5. SOLUBILIZAÇÃO E ENVELHECIMENTO

Envelhecimento é um tratamento térmico do âmbito da metalurgia que consiste em aquecer a uma temperatura relativamente baixa, mantida durante centenas de horas, uma peça de aço ou outros materiais.

Trata-se da aceleração de um processo que ocorreria naturalmente na temperatura ambiente, em um prazo muito mais longo. É um tratamento indicado para eliminar tensões internas, decorrentes de usinagem, forjamento ou têmpera, entre outros.

O envelhecimento é realizado em fornos elétricos após a solubilização na prensa ou solubilização formal. Este tratamento faz com que os compostos intermetálicos endurecedores de liga, entre eles o Mg2Si, precipitem fazendo com que material adquira as propriedades exigidas em norma.

O tratamento de envelhecimento consiste em uma combinação de tempo e temperatura em que o material é submetido no forno (podem variar entre 3 h à 12H e 150°C a 285°C para o grupo de ligas as série 6XXX). O tempo e a temperatura poderão variar de acordo com o tipo de liga e as propriedades mecânicas que se deseja no produto.

Dependendo da aplicação do perfil este pode ser comercializado sem o tratamento de envelhecimento, onde resistência mecânica e outras propriedades não são exigidas pelo cliente.

O processo é o seguinte: 1) O metal é aquecido uniformemente até cerca de 500°C. A temperatura exata depende

de cada liga. O aquecimento ocasiona a dissolução dos elementos de liga na solução sólida (tratamento de solução);

2) Segue-se um resfriamento rápido, geralmente em água, que previne temporariamente a precipitação dos elementos da liga. Esta condição e instável. Gradualmente, os constituintes precipitam-se de uma maneira exatamente fina (somente visíveis por potentes microscópios), alcançando o máximo efeito de endurecimento (envelhecimento). Em algumas ligas isto ocorre espontaneamente depois de alguns dias (envelhecimento natural). Outras requerem um reaquecimento por algumas horas a cerca de 175°C (tratamento de precipitação).

As chapas são normalmente tratadas num banho de sal fundido, que possui alta taxa de calor e fornece suporte ao metal, prevenindo possíveis deformações em altas temperaturas. Fornos com circulação de ar forçados são geralmente utilizados para perfis extrudados20, tubos,forjados e peças fundidas.

Entre os efeitos de um tratamento térmico completo estão o aumento substancial no limite de resistência e tração e uma redução da ductilidade. Normalmente, o tratamento térmico é procedido de uma operação de conformação severa, se for necessária. A maior parte das conformações pode ser feitas antes do tratamento de solução, com um acerto posterior para corrigir distorções não preventivas que possam ocorrer durante o resfriamento. Porém, preferencialmente, a conformação deve ser feita imediatamente após o tratamento de solução, antes do envelhecimento. Quando esta conciliação for difícil, é possível retardar o envelhecimento mantendo os componentes resfriados. Essa técnica é frequentemente aplicada em rebites para a indústria de aviação.

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4.6. TRATAMENTOS ISOTÉRMICOS As curvas em S ou os diagramas TTT nos mostram que a cada temperatura, ocorre a

formação de determinado constituinte. Os tratamentos isotérmicos baseiam-se nesse fato e, em geral, consistem na

austenitização, seguida de um resfriamento rápido até uma determinada temperatura, onde a peça permanece até a transformação da austenita se completar.

São os seguintes os tratamentos isotérmicos: ● austêmpera; ● martêmpera. AUSTÊMPERA Este tratamento tem substituído, em diversas aplicações, a têmpera e o revenimento. Baseia-se no conhecimento das curvas em “S”, e aproveita as transformações da

austenita que podem ocorrer à temperatura constante. O constituinte que se origina na austêmpera, pelo resfriamento da austenita a uma

temperatura constante é a bainita que possui propriedades idênticas, senão superiores, às da estrutura martensítica.

Como nesse tratamento, evita-se a formação direta da martensita, eliminam-se os inconvenientes que essa estrutura apresenta quando obtida pela têmpera direta e que são somente eliminados pelo revenimento posterior.

O aço é austemperado mediante a seguinte sequência de operações e transformações: a) aquecimento a uma temperatura dentro da faixa de austenitização, em geral de 785 a

870°C. b) resfriamento em um banho mantido a uma temperatura constante, em geral entre

260 a 400°C. c) permanência no banho mantido a essa temperatura, para se ter, transformação

isotérmica da austenita em bainita. d) resfriamento até a temperatura ambiente, geralmente em ar parado. Para assegurar uma completa transformação da austenita em bainita, o material deve

ser resfriado a partir da temperatura de austenitização até a temperatura do banho de austêmpera muito rapidamente para evitar que outra transformação de austenita ocorra durante este resfriamento.

A grande vantagem da austêmpera sobre a têmpera e o revenimento comuns reside no fato de que, devido à estrutura bainita formar-se diretamente da austenita a temperatura bem mais alta que a martensita, as tensões internas resultantes são muito menores, consequentemente, não há pratica - mente distorções ou empenamentos. Sendo assim a possibilidade de aparecimento de fissuras de tratamento e quase que completamente eliminada. Não há necessidade de revenimento.

Desvantagens Entretanto, nem todos os tipos de aço, assim como nem todas as secções de peças,

apresentam resultados positivos na Austêmpera. No que se refere aos tipos de aço, os mais convenientes para a austêmpera são, em

linhas gerais, os seguintes: a) Aços - carbono comuns, contendo 0,50 a 1,00 % de Carbono e um mínimo de 0,60.%

de Manganês.

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b) Aços - carbono de alto Carbono, contendo mais que 0,8% de C e um pouco menos que 0.6 % de manganês.

c) Certos aços - liga, de baixo teor de liga tais como o da série SAE 5100, SAE 4140. SAE 6145

No que se refere à secção das peças, para aço SAE 1080, por exemplo a máxima secção

permissível para austêmpera é de 5 mm. Aços - carbono de menor teor de carbono exigirão secções proporcionalmente de menor espessura. Entretanto, para alguns aços - liga, pode-se admitir, para a obtenção, da estrutura inteiramente bainítica, secções até cerca de 25 mm.

MARTÊMPERA É esse um tratamento usado principalmente para diminuir a distorção ou

empenamento que se produz durante o resfriamento rápido de peças de aço. Compreende a seguinte sequência de operações:

a) aquecimento a uma temperatura dentro da faixa de austenitização. b) resfriamento em óleo quente ou sal fundido mantido a uma temperatura

correspondente a parte superior (ou ligeiramente acima) da faixa de formação da martensita. c) manutenção no meio de resfriamento até que a temperatura através de toda a secção

do aço se torne uniforme. d) resfriamento (geralmente no ar ou óleo). Tem-se assim formação da martensita de modo bastante uniforme através de toda a

secção da peça, durante o resfriamento até a temperatura ambiente, evitando-se, em consequência, a formação de excessiva quantidade de tensões internas.

Ao contrário da austêmpera, a martêmpera necessita da operação de revenimento. Em outras palavras, após a martêmpera, as peças são submetidas a uma operação comum de revenimento como se elas tivessem sido temperadas.

Como já se mencionou, a martêmpera é usada principalmente para diminuir a possibilidade de empenamento das peças. Desenvolve-se menor quantidade de tensões internas do que na têmpera convencional.

Geralmente, os aços - liga apresentam melhores condições para serem martemperados do que os aços - carbono. Os tipos mais comumente usados nesse tipo de tratamento térmico incluem os seguintes aços:

1090 4130 4140 4150 4340 4640 5140 6150 8630 8640 8740 8745 Como na austêmpera, na martêmpera também se deve levar em consideração a

espessura ou secção das peças a serem tratadas. Entretanto, para algumas aplicações não é necessária uma estrutura inteiramente martensítica, aceitando-se uma dureza central 10 unidades RC21 abaixo da máxima que se pode obter, para um determinado teor de carbono.

O processo de martêmpera depende de um número de variáveis, que devem ser

rigorosamente controladas tais como: ● Temperatura de austenitização; ● Atmosfera controlada durante a austenitização; ● Tipo de aço; ● Espessura de secção da peça; ● Temperatura do banho de martêmpera (cada aço possui uma temperatura de banho).

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4.7. TRATAMENTO SUB-ZERO Tratamento realizado abaixo 0°C. Particularmente, resfriamento de um aço a uma

temperatura abaixo de 0°C para transformação da austenita retida em martensita. Para alguns aços modernos principalmente os inoxidáveis este tratamento é altamente

recomendado, pois os elementos de liga (materiais que são misturados ao aço para melhorar suas qualidades mecânicas) podem inibir a têmpera, fazendo com que até 30% do aço não endureça, a melhor maneira de corrigir-se esta "falha" é através do resfriamento muito abaixo de "zero" (pelo menos 50 graus negativos, um material muito usado para este tipo de tratamento é o nitrogênio que pode atingir até 196 graus negativos o que é mais do que suficiente). O tratamento sub-zero faz com que até 100% do aço endureça.

Este processo obtém melhor resultado se feito entre a têmpera e o revenimento, o que como vocês já podem ter percebido fragiliza ainda mais o aço, porém após o revenimento este processo garante ao aço alto desempenho inclusive aumento da elasticidade por que a estrutura do aço após o tratamento sub-zero fica mais homogênea. Outra característica deste processo é que ele funciona como um equalizador, traduzindo: se você tempera, por exemplo, dez facas em um dia algumas delas podem não atingir a dureza desejada, o tratamento sub-zero faz com que todas as laminas indiferente da dureza após a têmpera atinjam a mesma dureza final.

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5. TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS Os tratamentos termoquímicos consistem na introdução de um ou mais elementos

químicos na superfície dos aços (ferros fundidos) a uma dada temperatura (500 a 1000°c) para conferir uma camada superficial fina e dura. Os objetivos principais são: aumento da dureza e da resistência ao desgaste na superfície mantendo o núcleo tenaz.

Os processos termoquímicos são classificados em: ● Cementação; ● Nitretação; ● Cianetação; ● Carbonitretação; ● Boretação. Após as peças serem tratadas termo quimicamente temos a camada endurecida com

um alto teor de carbono e/ou nitrogênio, elementos absorvidos durante o tratamento, e o núcleo que fica com a mesma composição química inicial do material.

5.1. CEMENTAÇÃO O processo de endurecimento superficial de cementação é o mais utilizado

atualmente, e tem permanecido praticamente inalterado ao longo do tempo. Este processo é geralmente utilizado na produção de pistas e roletes de rolamento, engrenagens, buchas e juntas homocinéticas22. O método consiste essencialmente no aquecimento da peça envolta em um meio rico em carbono, fazendo com que o carbono difunda para o interior aumentando o teor de carbono da camada superficial.

Como o processo envolve a difusão do carbono, é necessário que se dê o tempo necessário para que isto ocorra. Tempos crescentes propiciam maiores espessuras das camadas cementadas. Alguns fatores exercem influência tanto na espessura da camada cementada como na profundidade do endurecimento.

A TEMPERATURA A velocidade de difusão do carbono no aço está estreitamente ligada à temperatura.

Quanto maior a temperatura menor o tempo que a peça terá que permanecer no forno. Estes dados referem-se ao aço no estado austenítico, e somente neste estado teremos solubilidade do carbono suficiente para chegar aos percentuais utilizados na camada superficial de peças cementadas. O limite inferior de temperatura para o processo está condicionado à austenitização do aço e o limite superior está condicionado ao crescimento do grão. Como quanto maior o tamanho de grão menor é a tenacidade do material, este efeito se torna indesejado. Para peças menos solicitadas de menor responsabilidade podemos utilizar temperaturas mais altas, mas, para peças mais solicitadas devemos utilizar temperaturas mais baixas, a menos que se faça um tratamento térmico posterior para corrigir o problema.

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O TEMPO A difusão do carbono também é influenciada pelo tempo em que a peça fica na

temperatura de tratamento. A profundidade atingida no processo é proporcional à raiz quadrada do tempo. Isto quer dizer que à mediada em que desejarmos profundidades maiores, maior será o tempo de tratamento e a cada vez que dobrarmos a espessura de cementação o tempo é multiplicado por 4 aproximadamente. Como podemos ver quanto maior a profundidade que se queira maior será a consumo de energia e a ocupação do equipamento, fazendo com que este processo se torne antieconômico para camadas de profundidade muito grande. Em geral na prática esta espessura está limitada a 2,5 mm o que já dá um tempo de cementação de aproximadamente 25 h a uma temperatura de 925o C

CEMENTAÇÃO EM CAIXA É um método de fácil execução, não necessitando de equipamento sofisticado. Neste processo são utilizados como fonte de carbono materiais sólidos à temperatura

ambiente, embora todas as reações que ocorrem durante a cementação sejam gasosas. As peças são colocadas em uma caixa metálica e envoltas pela mistura cementante normalmente composta de uma fonte de carbono, carvão vegetal, coque ou osso e um ativador: carbonato de bário ou carbonato de sódio. O ativador contribui para aumentar a velocidade de fornecimento do CO. Essa cementação é geralmente levada a uma temperatura entre 850° e 950°C, com a vantagem de ter um enriquecimento superficial de carbono mais rápido e um gradiente de carbono entre a superfície e o centro mais gradual. A profundidade de penetração do carbono pode atingir 2mm ou mais. O processo pode utilizar vários tipos de fornos, não exige atmosfera protetora, diminui a tendência ao empenamento das peças por elas estarem sustentadas na mistura carbonizante sólida. Porém, não recomendável para camadas cementadas muito finas, não permite um controle rigoroso do teor de carbono, não indicado para têmpera direta, pois a melhor técnica consiste em tirar as caixas do forno e deixá-las resfriar ao ar.

CEMENTAÇÃO GASOSA Este processo permite melhor controle do teor de carbono e da espessura da camada

cementada e é mais rápido. Mas as reações são mais complexas exigindo maiores controles. É um processo que se popularizou nas últimas décadas devido à evolução dos fornos de tratamento e dos métodos de análises químicas. São utilizados gases como fontes de carbono, que podem ser gases naturais ou gases manufaturados, tais como monóxido e carbono e metano. A mistura adequada desses gases irá permitir controlar o potencial de carbono na superfície do aço.

CEMENTAÇÃO LÍQUIDA Este processo é rápido e limpo. Permite maiores profundidades de cementação, protege

eficientemente as peças contra corrosão e descarbonetação, elimina praticamente o empenamento, possibilita melhor controle do teor de carbono, possibilita a cementação localizada, visto que as peças são mergulhadas suspensas no banho de sal. Contudo, os fornos de banho de sal para cementação líquida exigem exaustão, porque os cianetos a altas temperaturas podem ser venenosos; além disso, o banho de sal deve ser protegido com uma cobertura obtida pela adição de grafita de baixo teor em sílica no banho fundido.

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CEMENTAÇÃO SOB VÁCUO As peças são introduzidas no forno, onde se processa o vácuo. Em seguida, a

temperatura é elevada entre 925° a 1040°C, em que a austenita fica rapidamente saturada de carbono. Introduz-se, um fluxo controlado de hidrocarbonetos gasosos (metano, propano, ou outro gás) em quantidade que depende da carga, da área das superfícies a serem cementadas, do teor de carbono desejado e da profundidade de cementação. O gás, ao entrar em contato com a superfície do aço, desprende vapor de carbono, depositando uma camada muito fina de carbono na superfície do material. Esse carbono é absorvido pelo aço, até o limite de saturação. O fluxo de gás é interrompido, e as bombas de vácuo, que estão operando durante todo o processo, retiram o excesso de gás. Começa a segunda fase do processo, ou o chamado “ciclo de difusão controlada”, atingindo os desejados teores de carbono e de profundidade da camada cementada. As peças assim cementadas são menos suscetíveis à formação de óxidos, microfissuras, descarbonetação e outros defeitos.

TRATAMENTO TÉRMICO DA CEMENTAÇÃO A têmpera é o tratamento térmico que se realiza nos aços cementados. A têmpera pode

ser realizada de acordo com as seguintes técnicas: Têmpera direta: É realizada imediatamente após a cementação; recomenda-se para

aços onde o tempo de permanência à temperatura de cementação é geralmente mais curto, não ocorrendo excessivo crescimento do grão do material.

Têmpera simples: Após a cementação o aço é esfriado ao ar. Em seguida é aquecido e

temperado. A temperatura de reaquecimento depende da granulação do aço: quando é mais fina, austenitiza-se somente a camada cementada, facilitando a dissolução do carbono e atinge o núcleo também; pode-se aquecer numa temperatura intermediária, que produz um núcleo mais resistente e tenaz.

Têmpera dupla: Consiste em duas têmperas, na primeira aquece-se a uma

temperatura que atinja o núcleo e na segunda, aquece-se a temperatura que se atinja a camada cementada. Uma das variedades é realizar uma logo após a cementação.

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5.2. NITRETAÇÃO É um processo que a exemplo da cementação também altera a composição da camada

superficial do aço. Ao contrário da cementação, a camada nitretada não necessita ser temperada, pois os nitretos que se formam já possuem dureza elevada. Com isso não há empenamento. Além disso, a nitretação é feita na faixa de temperatura entre 500° e 600° C, diminuindo a possibilidade de empenamentos por transformação de fase.

Entre as vantagens da nitretação podemos citar as seguintes: alta dureza com alta resistência ao desgaste; alta resistência à fadiga e baixa sensibilidade ao entalhe; melhor resistência à corrosão e alta estabilidade dimensional.

Em princípio qualquer aço pode ser cementado, entretanto, a composição poderá fazer variar a dureza final da camada nitretada, como é o caso de aços que possuem alumínio, cromo, vanádio e molibdênio que apresentam uma dureza final maior.

A camada nitretada tem menor espessura do que a cementada, raramente ultrapassando 0,8 mm, caso contrário os tempos seriam muito grandes o que torna o método antieconômico. Há dois processos de nitretação:

NITRETAÇÃO A GÁS Neste processo é utilizada amônia que é injetada no forno aquecido geralmente a

510°C. Nesta temperatura a amônia se dissocia de acordo com a seguinte equação:

2NH3 ��2N + 3H2

Esta reação libera nitrogênio atômico que difunde para o aço,os tempos de tratamento variam entre 12 e 120 horas. Um dos inconvenientes além do tempo e em função da sua própria demora, é o crescimento que o material sofre enquanto submetido ao tratamento. Esse fato deve ser levado em conta na usinagem à que são submetidas às peças antes da nitretação. Na nitretação a gás, a espessura nitretada raramente ultrapassa a 0,8mm e a dureza superficial obtida é da ordem de 1000 a 1100 vickers23.

NITRETAÇÃO LÍQUIDA É um banho semelhante ao utilizado na cementação líquida. Neste banho teremos

cianeto de sódio ou potássio, carbonato de sódio ou potássio e cloreto de potássio ou de sódio. Este banho contém entre 30 e 40% de cianeto. Normalmente a temperatura utilizada situa-se entre 550° e 570° C. Nesta temperatura não ocorre à reação de cementação e, portanto teremos apenas a adição de nitrogênio ao aço. Os tempos são curtos, entre uma e 4 horas. As camadas são geralmente menos espessas que na nitretação a gás. As propriedades obtidas são semelhantes às obtidas na nitretação a gás. Neste conseguem-se melhores propriedades de fadiga. Finalmente enquanto na nitretação a gás os aços devem possuir certos elementos de liga (em particular alumínio e cromo), qualquer tipo de aço, simplesmente ao carbono ou ligado, podem ser nitretados em banho de sal.

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5.3. OUTROS PROCESSOS DE TRATAMENTO TERMOQUÍMICO Carbonitretação ou Cianetação a gás Entende-se por carbonitretação, o tratamento termoquímico em que se promove o

enriquecimento superficial simultâneo com carbono e nitrogênio em peças de aço, visando obter superfícies extremamente duras e um núcleo tenaz, aliados a outras propriedades mecânicas como resistência à fadiga, resistência ao desgaste e resistência à torção.

A carbonitretação em banho de sal é um tratamento que se enquadra entre a nitretação e a cementação. É por este motivo que a temperatura da carbonitretação se situa entre as temperaturas destes dois processos.

A oferta de nitrogênio, que deverá ser difundido no aço, dependerá da composição do banho e também de sua temperatura. Sabe-se, no entanto, que a oferta de nitrogênio decresce com o aumento da temperatura.

O Processo de carbonitretação é um misto da cementação a gás e a nitretação a gás, sendo realizado em temperaturas intermediarias entre estes dois processos (700 a 900°C).

Cianetação Consiste em aquecer o aço em temperaturas acima de A1, em um banho de sal fundido,

de modo que a superfície do aço absorva carbono e nitrogênio. Após a têmpera em óleo ou água o aço desenvolve uma camada dura, resistente ao desgaste.

Os banhos de sal contêm cianeto de sódio (30 a 97%), carbonato de sódio (2 a 40%) e cloreto de sódio (0 a 30%). Estes dois últimos são mais inertes24, adicionados para controlar o ponto de fusão da mistura e sua fluidez.

As temperaturas utilizadas variam entre 760 a 870°C e os equipamentos são os mesmos empregados na cementação líquida. O processo é aplicado usualmente aos aços carbono e baixa liga.

Uma vantagem da cianetação é a menor distorção nas peças produzidas. Com relação à cementação líquida, a cianetação introduz menos carbono e mais

nitrogênio que esta. Boretação Consiste no enriquecimento superficial em boro no aço pela difusão química, com

formação de boretos de ferro (Fe2B e Fe B). A boretação pode ser gasosa, líquida ou sólida. A boretação gasosa, além de utilizar equipamentos de alto custo, emprega um gás 100

vezes mais venenoso que o cianogênio. A boretação gasosa, além de utilizar equipamentos de alto custo, emprega um gás 100

vezes mais venenoso que o cianogênio. A boretação líquida utiliza banhos de seis, não tóxicos, mas apresenta dificuldades de

introdução do boro no aço por formar camadas bifásicas contendo Fe2, B e Fe B, que dificultam a penetração do boro.

Em vista disso, a boretação sólida tem sido a mais empregada. Os meios de boretação sólida podem contar como fontes de boro as seguintes substâncias: boro puro, ferro-boro, e carboneto de boro. Como o boro puro é caro (~500 dólares/kg) e o ferro-boro apresenta dificuldades técnicas em se manter a qualidade em grandes produções, utiliza-se o carboneto de boro (~80 dólares/kg).

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A espessura da camada boretada varia de 10 a 300 mícrons, embora processos especiais permitam obter camadas de até 1 milímetro de profundidade. O ideal é a formação das camadas monofásicas de Fe2B, pois camadas de FeB são mais susceptíveis à formação de trincas.

A temperatura de boretação varia de 800 a 1050°C e os tempos, em geral, variam de 1 a 8 horas.

Peças com camadas boretadas de até 150 mícrons podem ser temperadas em óleo ou ar, sem apresentar trincas superficiais. O revenimento deve ser feito em um meio inerte, preferencialmente sob gás protetor ou banho de sal neutro.

A microdureza25 das camadas boretadas é extremamente alta. A camada boretada também apresenta uma grande resistência à corrosão por ácidos

inorgânicos, como o clorídrico, o sulfúrico e o fosfórico. Os aços empregados na boretação são: carbono, baixa liga, ferramenta e inoxidável. Os

aços ligados com alumínio e os com mais de 1% de silício não são indicados para este processo.

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6. CONCLUSÃO Observamos os diversos exemplos de tratamentos térmicos tem como principal

propósito modificar as propriedades de um determinado material. De forma resumida, compreendemos que os tratamentos térmicos são ciclos de

aquecimento e resfriamento, e que em alguns casos, adicionam-se elementos químicos na estrutura do aço.

Existem diferentes tipos de tratamentos térmicos, cada um visa a atribuição de características requeridas a uma estrutura metálica.

Alguns tratamentos têm como propósito principal o aumento da ductilidade do material, como por exemplo, o recozimento e a normalização. O recozimento consiste no aquecimento da estrutura até a temperatura de austenização e em seguida o resfriamento lento, geralmente dentro do próprio forno. A forma de resfriamento que difere o recozimento da normalização, já que no processo de normalização a estrutura é resfriada ao ar livre.

Com têmpera deseja-se o aumento da dureza e da resistência do material. O procedimento realizado é o aquecimento lento da peça, geralmente até a temperatura de austenização, e logo após, fazer o resfriamento rápido da peça, comumente em meio líquido, como água ou NaCl.

O revenimento é um tratamento realizado após a têmpera, em conjunto com outro procedimento denominado solubilização, que tem como objetivo aliviar as tensões da estrutura temperada. Com o revenimento diminuímos a resistência, porém aumenta-se a tenacidade e a ductilidade do material.

Outro tratamento comumente utilizado para o alivio de tensões é o envelhecimento. Esse processo consiste em manter o metal em uma temperatura relativamente baixa. Pode ser considerado como a aceleração de um processo que aconteceria normalmente.

Os tratamentos isotérmicos, como a austêmpera e a martêmpera baseiam-se no aquecimento da peça até a temperatura qual se forma a estrutura desejada e segue-se o resfriamento rápido dessa peça.

Os tratamentos termoquímicos inserem na superfície do material, elementos químicos que atribuem à estrutura certa característica desejada. Abordamos nesse trabalho os seguintes tratamentos termoquímicos: cementação – adição de carbono na estrutura; niterteação – adição de componentes nitretados; carbonitretação ou cianetação – adição de carbono e nitrogênio; e a boretação – adição de boro.

Alguns aços modernos recebem o tratamento sub-zero, onde ocorre o aquecimento da peça e o resfriamento é feito a uma temperatura abaixo de 0°C, qual inibe a têmpera e que possibilita que o aço endureça 100%, tornando-se assim mais homogêneo.

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REFERÊNCIAS

Mundo Vestibular Disponível em: <http://www.mundovestibular.com.br/articles/1206/1/METAIS/Paacutegina1.html> Acesso em: Abril 2011 Multiply Fabio Bola Disponível em: <http://fabiobola.multiply.com/journal/item/146/146> Acesso em: Abril 2011 CIMM Disponível em: <http://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6441-tratamento-trmico-dos-aos> Acesso em: Abril 2011 Disponível em: <http://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6436-conceitos-gerais> Acesso em: Abril 2011 Disponível em: <http://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6442-objetivos-do-tratamento-trmico-dos-aos> Acesso em: Abril 2011 Metalharte Disponível em: <http://www.metalharte.com.br/site/recozimento.htm > Acesso em: Abril 2011 Inforgel Disponível em: <http://www.inforgel.com.br/si/site/0902/p/Recozimento> Acesso em: Abril 2011 Disponível em: <http://www.inforgel.com.br/si/site/0901/p/Tempera> Acesso em: Abril 2011 MSPC Disponível em: <http://www.mspc.eng.br/ciemat/aco130.shtml Acesso em: Abril 2011 Disponível em: <http://www.mspc.eng.br/ciemat/aco140.shtml> Acesso em: Abril 2011 Disponível em: <http://www.mspc.eng.br/ciemat/aco180.shtml> Acesso em: Abril 2011 Disponível em: <http://www.mspc.eng.br/ciemat/aco180.shtml> Acesso em: Abril 2011 Lufer Disponível em: <http://www.lufer.com.br/tratamentos_termicos/tratamentos_termicos.php >Acesso em: Abril 2011 Disponível em: <http://www.lufer.com.br/tratamentos_termicos/tratamentos_termicos.php#Esferoidizacao> Acesso em: Abril 2011 Coppe UFRJ Disponível em: <http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos/artigo10696/> Acesso em: Abril 2011 Disponível em: <http://www.materia.coppe.ufrj.br/~notimat/Vol1N1/artigo1/pagina2.html> Acesso em: Abril 2011 Wikipédia Disponível em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/T%C3%AAmpera_(metalurgia)> Acesso em: Abril 2011 Disponível em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/Envelhecimento_(metalurgia) > Acesso em: Abril 2011 Disponível em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/Conforma%C3%A7%C3%A3o> Acesso em: Abril 2011 Disponível em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/Cementa%C3%A7%C3%A3o> Acesso em: Abril 2011

40 | P á g i n a

Hyspex Disponível em: <http://www.hyspex.com.br/normas-tecnicas/tratamentos-termicos> Acesso em: Abril 2011 Ciência dos Materiais Disponível em: <http://www.cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=21&top=137> Acesso em: Abril 2011 Duferrit Disponível em: <http://www.durferrit.com.br/produtos_carbonitretacao.asp> Acesso em: Abril 2011 Moldes Injeção Disponível em: <http://www.moldesinjecaoplasticos.com.br/sistematratamentotermoquimico.asp> Acesso em: Abril 2011 Cutelaria Virtual Disponível em: <http://www.cutelariavirtual.com/renno/informacoes/tratamento.htm> Acesso em: Abril 2011 Autonopédia Disponível em: <http://www.autonopedia.org/crafts_and_technology/Metal_work/Metalworking-The_Basics/7_Heat_Treatment_of_Steel.html> Acesso em: Abril 2011 Bulletin Disponível em: <http://bulletin.accurateshooter.com/2009/02/melonite-surface-treatment-for-barrels-bolts-and-actions/> Acesso em: Abril 2011 GH Induction Disponível em: <http://www.ghinduction.co.in/surface.html> Acesso em: Abril 2011 Inmetro Disponível em: <http://www.inmetro.gov.br/consumidor/produtos/alicate.asp> Acesso em: Abril 2011 Mathew Peet Disponível em: <http://mathewpeet.org/science/materials/steel/microstructures/> Acesso em: Abril 2011 Unicamp Disponível em: <http://www.ifi.unicamp.br/~alvarez/Plasma-LIITS/novidaes.htm> Acesso em: Abril 2011

Euro Thermo Disponível em: <http://www.eurothermo.ind.br/aplicacoes.html> Acesso em: Abril 2011

White Martins Disponível em: <http://www.whitemartins.com.br/site/catalogo/tratamento_termoquimico.html> Acesso em: Abril 2011 Menkecia Disponível em: <http://www.menkecia.com.br/servicos_detalhes.php?ID=1> Acesso em: Abril 2011 UFSC Disponível em: <http://www.arq.ufsc.br/arq5661/Metais/metais.html> Acesso em: Abril 2011

41 | P á g i n a

Proterm Disponível em: <http://www.proterm.com.br/2006/html/ft01.php#01> Acesso em: Abril 2011 Scielo Disponível em: <http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0370-44672004000100005> Acesso em: Abril 2011

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GLOSSÁRIO Usinabilidade1 Capaz de ser modificado numa operação mecânica. Que pode ser submetido à ação de

máquinas-ferramentas. Conformabilidade2 Nome genérico dos processos em que se aplica uma força externa à matéria-prima,

obrigando-a a adquirir a forma desejada por deformação plástica. Em outras palavras, são todos os processos que exploram a deformabilidade plástica dos materiais.

Ductilidade3 Capacidade dos materiais de se deformarem sem se romperem. Dureza4 Resistência que o material oferece à penetração de um corpo duro. Tenacidade5 Capacidade que o material possui de absorver energia total (elástica e plástica) por

unidade de volume até atingir a ruptura (fratura). Tensão residual6 Tensão residual pode Sr definida como qualquer tensão que existe no volume de um

material sem aplicação de carga externa. Laminação7 Processo de conformação mecânica que consiste em modificar a seção transversal de

um metal na forma de barra, lingote, placa, fio, tira, etc., pela sua passagem entre dois cilindros paralelos girando em sentidos opostos, com a mesma velocidade inicial.

Trefilação8 Processo em que a matéria-prima é estirada (esticada) através de uma matriz em forma

de canal convergente por meio de uma força atrativa aplicada do lado da saída da matriz. Fadiga9 Tendência à ruptura do material em um carregamento inferior ao limite nominal de

resistência à tração, após este material ter permanecido sob a ação de ciclos repetidos de tensões.

Metalografia10 Metalografia é o estudo da morfologia e estrutura dos metais. Politriz11 Ferramenta para polir. Encharque12 Tempo de permanência da ferramenta à temperatura de austenitização, após todo o

volume ter atingido essa temperatura. Um tempo de encharque inferior resultará em uma dureza baixa.

Temperabilidade13 Qualidade de ser temperável.

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Temperatura de austenização14 Temperatura na qual ocorre a transformação da estrutura da matriz existente em

estrutura austenítica através de aquecimento. Encruado15 Material que sofreu encruamento. Elevação da tensão de escoamento na fase de

deformação plástica, ou seja, é o fenômeno que ocorre no metal com aumento da dureza devido à deformação plástica (só ocorre a frio). O encruamento causa modificações nas propriedades mecânicas do material.

Cavacos16 Material removido da peça durante o processo de usinagem pela ação da ferramenta de

corte, cujo objetivo é obter uma peça com forma e dimensões definidas. Transformação isotérmica17 Transformação termodinâmica na qual a temperatura é mantida constante. Indução eletromagnética18 Chama-se indução eletromagnética ao fenômeno pelo qual aparece corrente elétrica

num condutor, quando ele é colocado num campo magnético e o fluxo que o atravessa varia. É o princípio básico de funcionamento dos geradores e motores elétricos.

I2R19 Fator de perda de energia permitida na linha. Esta perda representa a energia elétrica

transformada em calor. Perfil extrudado20 Peça que recebeu extrusão. A extrusão é um processo de produção de componentes

mecânicos de forma semi-contínua onde o material é forçado através de uma matriz adquirindo assim a forma pré determinada pelo projetista da peça.

Unidades RC21 Escala que mede a dureza de materiais. Juntas homocinética22 É uma junção de acoplamento de um eixo que transfere o movimento em outra direcção

sem modificar o sentido de giro. Vickers23 É um método de classificação da dureza dos materiais baseada num ensaio laboratorial. Inerte24 Que tem ou produz inércia; que não age, ou não interage. Microdureza25 O termo 'teste da microdureza' usualmente se refere a endentações estáticas

provocadas por cargas menores que 1kgf.