Tratamentos Térmicos Uma Introduçãofiles.asmm5.webnode.com/200000009-07d4c08cca/Tratamento termicos... · Ciclo geral de um tratamento térmico O ciclo geral de um processo de

Tratamentos Térmicos

Uma Introdução

Tratamentos Térmicos

Finalidade dos tratamentos térmicos:

ajuste das propriedades mecânicas através de

alterações da microestrutura do material.

Objetivos:

alívio de tensões

controle da dureza e resistência mecânica

melhora da ductilidade

melhora da usinabilidade

melhora da conformabilidade

melhora da resistência ao desgaste

melhora da resistência à corrosão

Ciclo geral de um tratamento térmico

O ciclo geral de um processo de tratamento térmico consiste em:

- aquecimento na temperatura,

- manutenção na temperatura e

- resfriamento

T

e

m

p

e

r

a

t

u

r

a

Tempo

aquecimento

permanência na

temperatura

resfriamento

Ciclo geral de um tratamento térmico

1.1. Aquecimento O tempo de aquecimento é o tempo necessário desde o início do

aquecimento até a obtenção da temperatura desejada na superfície

da peça tratada.

A velocidade de aquecimento é a mudança da temperatura em

função do tempo da superfície da peça.

O aquecimento de peças pode ser realizado de cinco maneiras:

1.1. Aquecimento

t = temperatura do forno,

tp = temperatura da superfície da peça tratada

tj = temperatura do centro da peça

( t = tp-tj).

t0 = temperatura prescrita de aquecimento

1) as peças são colocadas no forno frio e

se aquecem juntamente com o

aumento da temperatura do forno:

a velocidade do aquecimento é

baixa

os gradientes de temperatura são

pequenos,

as tensões térmicas são

pequenas,

a produtividade é baixa.

1.1. Aquecimento




( t = tp-tj).


2) as peças são colocadas no forno

mantido na temperatura constante

(pode ser um pouco mais alta do que a

temperatura prescrita).

este processo resulta em

gradientes de temperatura e

tensões térmicas maiores.

1.1. Aquecimento




( t = tp-tj).


3) as peças são expostas a um aquecimento

intensivo, colocando-as em um forno com

temperatura significativamente mais alta do

que a temperatura prescrita.

a temperatura da carga de peças

aumenta rápido, sendo que para o seu

aquecimento se aproveita também

parte da energia térmica acumulada do

forno.

usa-se para o aquecimento de peças

em caso de tratamentos termo-

químicos (nitretação, cementação)

1.1. Aquecimento




( t = tp-tj).


4) as peças são colocadas em fornos com

temperatura constante e mais alta do que a

temperatura prescrita.

a peça é retirada do forno quando a

temperatura prescrita é atingida.

os gradientes de temperatura e as

tensões térmicas neste caso são as

mais altas.

1.1. Aquecimento




( t = tp-tj).


5) aquecimento em estágios

se realiza em um meio até uma certa

temperatura,

depois se transfere para outro meio

com temperatura mais alta.

este método se aplica para materiais

que são suscetíveis ao trincamento

devido às tensões térmicas.

1.1. Aquecimento

Na fase de aquecimento os seguintes cuidados são

essenciais:

a) controle da velocidade de aquecimento

- gradiente de temperatura causa tensões de origem térmica e estrutural,

então o aquecimento muito rápido, pode causar choque térmico e iniciar

trincamento

Peças de ligas, que são suscetíveis ao trincamento devem ser colocados

em forno preaquecido em temperatura mais baixa e em seguida a

temperatura deve ser aumentada gradualmente.

1.1. Aquecimento

b) controle da distribuição da temperatura na carga e no forno

Quando se trata de cargas pequenas e fornos menores o controle do

processo de aquecimento é menos exigente.

Em cargas superiores a 200t, devido à alta inércia do sistema ,é mais difícil

obter uniformidade da temperatura através da carga toda.

Recomenda-se a utilização de vários termopares no meio da carga de modo

a poder controlar melhor a distribuição da temperatura durante o ciclo todo.

c) distribuição das peças no forno – as distâncias podem influenciar a

transferência de calor por convecção e radiação.

1.1. Aquecimento

Meios de Aquecimento:

O meio de aquecimento pode ser: gasoso, líquido ou sólido.

O mais comum é aquecer as peças em atmosfera gasosa.

Atmosferas:

N2 (asfixiante) inerte

H2 (inflamável, asfixiante) redutor

CO (inflamável, tóxico) redutor / carbonetador

CO2 (tóxico, asfixiante) oxidante / descarbonetador

CH4 (inflamável, asfixiante) carbonetador

1.1. Aquecimento

Meios de Aquecimento:

Meios líquidos: garantem maior uniformidade de temperatura e uma

capacidade maior de aquecimento

sais fundidos: BaCl2, NaCl, KCl, NaNO3, KNO3, etc.

metais líquidos: Al, Pb

O aquecimento em meios sólidos ( coque, cavacos de ferro fundido)

tem a vantagem de uma maior velocidade de aquecimento do que

nos meios gasosos.

1.2. Permanência na temperatura

O tempo da permanência na temperatura depende:

- do material (condutividade térmica)

- da forma da peça

- das dimensões da peça

Tempo para uniformização de temperatura em peças de secção uniforme: pelo menos um minuto por milímetro de espessura.

(Esse tempo deve ser ampliado em função da forma da peça e quando o aço for ligado).

O tempo da permanência deve ser estabelecido para que:

- se possam realizar os processos de caráter difusivo:

- dissolução de carbetos,

- homogeneização da composição química

- ou diminuição das tensões internas.

1.3. Resfriamento

O resfriamento a partir da temperatura do tratamento térmico tem uma grande influência na estrutura e nas propriedades do material processado.

Diferentes taxas de resfriamento podem ser obtidas:

- resfriamento no forno (taxas de resfriamento baixas)

- resfriamento no ar fora de forno sem ou com circulação forçada – taxas mais elevadas

- resfriamento por névoa (partículas de água suspensas em um gás)

- resfriamento por imersão em líquido (água, solução de sais em água, óleo, polímeros, banhos de sal, metal líquido)

Como Escolher o Meio de Resfriamento ????

É um compromisso entre:

- Obtenção das caracterísitcas finais desejadas (microestruturas e propriedades),

- Sem o aparecimento de fissuras e empenamento na peça,

- Sem a geração de grande concentração de tensões

Durante o tratamento térmico ocorrem mudanças dimensionais no

aquecimento e resfriamento devido à expansão térmica.

Tensões de origem térmica

Durante o resfriamento, a superfície da peça resfria e contrai mais

rapidamente que o seu núcleo;

No momento em que a região superficial tornar-se rígida pelo

resfriamento, ela irá opor-se a ulterior contração do núcleo e surgirão

tensões internas apreciáveis;

1.4 Tensões internas, empenamento


Tensões térmicas em uma peça cilíndrica durante resfriamento (sem

transformação de fase)


Tensões provenientes das transformações de fases

Em muitas ligas metálicas, particularmente nas ferrosas, as

transformações de fases produzem variações de volume tanto mais

sensíveis quanto mais drásticas as condições de resfriamento e

mais complexas as formas das peças.

Mudanças das tensões internas

durante o resfriamento de um

cilindro de aço que sofre

transformação martensítica


As mudanças dimensionais resultantes das tensões internas podem

quando seu valor ultrapassar o limite elástico do material:

- levar ao empenamento das peças

- surgimento de trincas

Para evitar um nível elevado de tensões:

- resfriar as peças a baixa velocidade,

o que nem sempre é possível, pois, na prática, o principal tratamento

térmico das ligas ferrosas é a têmpera que exige velocidades de

resfriamento elevadas.

O projeto inadequado das peças como entalhes, mudanças bruscas das

seções podem também levar ao empenamento e trincamento.

1.5. Fornos

Os fornos empregados para tratamentos térmicos podem ser classificados em

dois grandes grupos:

a) intermitentes

b) contínuos

1.5. Fornos

Intermitentes: em que a carga entra periodicamente.

Um forno intermitente básico normalmente consiste de uma câmara

isolada, de uma casca de aço reforçada, de um sistema de

aquecimento e de uma ou mais portas para carregamento.

(Alguns dos tipos mais

comuns: fornos de caixa,

fornos de fundo móvel,

fornos tipo sino, fornos

poço, fornos de banho de

sal ou de chumbo).

1.5. Fornos

Forno de batelada semicontínuo

aquecido a gas. Forno de batelada para

homogeneização de grandes cilindros.

1.5. Fornos

Contínuos: em que a carga entra continuamente.

Os componentes básicos de um forno contínuo são também a câmara,

o sistema de aquecimento, portas de acesso.

Os fornos contínuos mais usados incluem fornos com correia

transportadora, fornos munidos de empurradores, fornos soleira móvel

sobre roletes, fornos de soleira giratória, fornos túnel.

Forno contínuo com correia.

Controle da temperatura

Controle da temperatura

Os sensores mais usados são os de contato, como termopares (90 % de

todos os sensores), e termômetros de resistência (mais precisos do que

o termopar, mas também mais caros).

Os termômetros sem

contato (sensores de

radiação) são os

pirômetros que podem

ser óticos ou

detectores térmicos.

O uso destes sensores

é justificado quando a

temperatura é alta

demais para um

sensor de contato, ou

quando se exige uma

resposta mais rápida.

Recozimento

Recozimento

O recozimento é um tratamento térmico que elimina parcialmente ou

totalmente, o afastamento do estado de equilíbrio originado com

um tratamento térmico ou mecânico anterior, como deformação

plástica, fundição, soldagem, tratamento térmico ou outros

processos tecnológicos.

Dependendo do grau de afastamento das condições de equilíbrio, se

diferenciam os seguintes recozimentos:

Recozimento para homogeneização

Recozimento total ou pleno

Recozimento para recristalização

Recozimento para alívio de tensões

Recozimento

Recozimento é um termo genérico para as operações de tratamento

térmico que consistem no AQUECIMENTO e manutenção em uma

TEMPERATURA por TEMPO CONTROLADO, seguido de

RESFRIAMENTO LENTO com o forno desligado;

Os processos de recozimento, em geral, tem como objetivos:

Facilitar as operações de trabalho a frio e usinagem com a

obtenção de máxima ductilidade.

Remover tensões resultantes dos processos de fundição e

conformação mecânica a frio;

Diminuir a dureza para melhorar a ductilidade, ajustar o tamanho

de grão, regularizar a textura bruta de fusão e

Equalizar a composição ao longo da peça.

Recozimento

O Recozimento também pode ser classificado em Pleno, Subcrítico e

Intercrítico.

Faixas Típicas para Recozimento Pleno, Subcrítico e Intercrítico

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 os seus limites de

escoamento e de resistência.


A deformação a frio resulta em “encruamento” - aumento da dureza,

resistência mecânica, resistência elétrica, e ao mesmo tempo, em

redução da dutilidade.

O trabalho a frio causa também um aumento significativo do número

das discordâncias e certos planos cristalográficos são

severamente distorcidos.

A maior parte da energia da deformação plástica é dissipada em forma

do calor, mas uma parte (~ 5%) é armazenada na estrutura do

cristal como energia interna associada aos defeitos da rede

cristalina formados durante a deformação.

Essa energia armazenada atua como a força motriz para devolver ao

sistema as condições normais da estrutura não deformada, desde

que se criem condições cinéticas capazes de realizar esse

processo. A barreira energética que impede essa volta à condição

não deformada é ultrapassada pelo aquecimento do metal, a uma

temperatura, durante um tempo determinado.


Em função da temperatura e do grau do trabalho ao frio o recozimento

compreende três estágios principais:

- recuperação

- recristalização

- crescimento de grão.


RECUPERAÇÃO

estrutura dos grão não se altera (fenômenos se manifestam a nível de subestrutura)

propriedades mecânicas e físicas são parcialmente restauradas

baixas temperaturas → movimentação e eliminação de lacunas

altas temperaturas → rearranjo e aniquilação de discordâncias

O estágio de recuperação também é chamado de “Recozimento para Alívio de Tensões”.

RECRISTALIZAÇÃO

alteração da estrutura dos grão

(substituição da estrutura trabalhada a frio por novos grãos livres de deformação)

propriedades mecânicas e físicas são restauradas (todos os efeitos do encruamento são eliminados)


A temperatura de recristalização é definida como a temperatura na qual o processo é completo durante uma hora.

Temperatura da recristalização

como função da porcentagem do

trabalho a frio

A recristalização é iniciada a uma

temperatura mais baixa e se completa

em uma faixa mais estreita das

temperaturas, quando:

a deformação prévia tiver sido maior

o tamanho de grão original for

menor;

o metal for mais puro;

Existe uma “deformação crítica”,

abaixo qual não ocorre recristalização


O tamanho de grão após a recristalização influencia a resistência

mecânica, sendo favorável um tamanho de grão menor para

altos valores de tensão de escoamento. O tamanho de grão do

metal recristalizado será menor quanto:

menor a temperatura;

menor o tempo de aquecimento até a temperatura;

mais intenso o encruamento prévio;

maior a quantidade presente de partículas insolúveis ou mais

finamente dispersas elas estiverem.


CRESCIMENTO DE GRÃOS

Após a recristalização se completar, a microestrutura de grãos recristalizados ainda não é a mais estável. A quantidade de contornos passa atuar como potencial termodinâmico para o crescimento de grão de modo a diminuir o número de grãos por unidade de volume ou, em outras palavras, diminuir a área total desses contornos.

Os contornos de grão de alto ângulo representam um lugar com elevada desordem dos átomos o que significa um nível mais alto da energia. Isso significa, que depois da transformação do volume inteiro do material para grãos não deformados estes continuam a crescer, reduzindo assim a quantidade dos contornos dos grãos(e a energia interna do sistema). No entanto, o potencial termodinâmico para o crescimento de grão é cerca de duas ordens de grandeza menor que o potencial termodinâmico para a recristalização primária.


Recozimento para Alívio de Tensões

(Subcrítico)

Não envolve a formação de Austenita

Aplicado com TEMPERATURAS inferiores a

A1 (40 a 100ºC, abaixo de A1)

O objetivo é ALIVIAR as TENSÕES originadas durante a

solidificação de peças fundidas ou produzidas em operações de

conformação mecânica, corte, soldagem ou usinagem, RECUPERAR

A DUCTILIDADE DO AÇO TRABALHADO A FRIO (ENCRUADO).

Também é utilizado para ajustar o tamanho de grão e gerar

COALESCIMENTO e aglomeração de carbonetos.

O mecanismo do processo de alívio de tensões é a movimentação de

defeitos pontuais e discordâncias, induzida termicamente, que

permite a remoção das deformações internas

O tratamento aplica-se a todas as ligas Fe-C, a ligas de Al, Cu e suas

ligas, Ti e algumas de suas ligas, ligas de Mg, de Ni etc.

Esferoidização

Tratamento térmico que tem como objetivo MELHORAR a

CONFORMABILIDADE a frio dos aços médio e alto C e MELHORAR

a USINABILIDADE de aços hipereutetóides e aços ferramentas.

Aços esferoidizados por operações de aquecimento e resfriamento

produzem estruturas de CARBONETOS GLOBULARES em matriz

ferrítica.

MÉTODOS

1.) Manutenção por tempo

prolongado à temperatura pouco

abaixo da crítica (≅ 40 horas);

2.) Aquecimento e resfriamento

alternantes entre 2 temperaturas acima

e abaixo da crítica ( ≅ 25 a 50°C);

Esferoidização

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 A1. Manter na

temperatura, conforme 1, ou seguir o 2.

Esferoidização

Microestruturas esferoidizadas de aços. As partículas pequenas são

cementita, a fase contínua é ferrita.

Esferoidização

Recozimento para Homogeneização

A homogenização é um tipo de tratamento térmico de recozimento

normalmente realizado nos primeiros estágios do processamento à

quente dos aços (Laminação e Forjamento).

- realizada em altas temperaturas

austeníticas

- eliminação de segregações ou

gradientes de concentração química

produzidos no processo de solidificação

de um lingote;

- dissolução de partículas de segunda

fase

- a homogenização melhora a

trabalhabilidade à quente mas também

contribui para uniformidade do aço

quanto a recozimentos subsequentes ou

operações de endurecimento.

Recozimento Pleno ou Total

O objetivo é eliminar as heterogeneidades estruturais

(segregações, gradientes de concentração química) através

de uma repartição mais homogênea dos componentes

solúveis, por difusão.

O tratamento aplica-se a todas as ligas Fe-C e muitas ligas não-

ferrosas: Cu e suas ligas, ligas de Al, ligas de Mg, Ni e Ti.


Nos Aços:

No recozimento pleno, o aço geralmente é aquecido até a

AUSTENIZAÇÃO COMPLETA da estrutura, seguido de

RESFRIAMENTO LENTO em FORNO DESLIGADO.

Observa-se o crescimento do grão austenítico, austenita uniforme e

homogênea, melhor capacidade de trabalho mecânico e

comportamento uniforme do aço aos posteriores tratamentos

térmicos.

Recozimento pleno produz PERLITAS GROSSAS ou Grosseiras (PG),

resistência e dureza baixas e ductilidade elevada, boa

usinabilidade.


AQUECIMENTO ATÉ :

Para os aços hipoeutetóides ≅ 50°C acima de A3

Para os aços hipereutetóides ≅ 50°C acima de A1

Motivo: Não pode ultrapassar Acm porque no resfriamento ao

atravessar esta linha forma-se Cementita (Fe3C) agulhada (ou em

rede) nos contornos de grão da Austenita, fragilizando dessa forma

o aço.

Deve-se proteger as superfícies das peças de aço em meio sólido

ou gasoso para impedir que estas sejam afetadas por OXIDAÇÃO

ou DESCARNONETAÇÃO.

Os equipamentos de aquecimento (FORNOS) empregados podem

ser intermitentes ou contínuos.


Exemplos de Microestruturas de Aços após Recozimento Pleno


Exemplos de Microestruturas de Aços após Recozimento Pleno

Normalização

A normalização é um tratamento térmico que, similarmente ao

recozimento, produz uma microestrutura uniforme.

Tratamento aplica-se a todas as ligas Fe-C e não-ferrosas: Cu, Al, Mg,

Ni e Ti.

. A normalização em aço

hipoeutetóide é realizada a

temperaturas relativamente

maiores que aquelas utilizadas no

recozimento (acima de A3),

enquanto que nos aços

hipereutetóides a faixa de

temperatura de aquecimento está

acima de Acm (Não há formação

de um invólucro de carbonetos

frágeis devido a velocidade de

refriamento ser maior).

Normalização

Na normalização o aquecimento é seguido de resfriamento ao ar, ao

contrário do recozimento pleno que é mais lento por ser realizado no

forno.

A temperatura de austenitização um pouco maior usada na

normalização, quando comparada com a usada no recozimento dos

aços hipoeutetóides, em geral produz uma maior uniformidade na

estrutura austenítica e uma composição similar a do tratamento de

homogenização, embora em temperaturas menores e tempos mais

curtos.

Além disso, um outro objetivo principal da normalização é o refino do

tamanho de grão que frequentemente torna-se muito grosseiro

durante o trabalho a quente a elevadas temperaturas.

Normalização

Constituintes Estruturais resultantes

Hipoeutetóide ferrita + perlita fina

Eutetóide perlita fina

Hipereutetóide cementita + perlita fina

Em relação ao recozimento a microestrutura é mais fina, apresenta

menor quantidade e melhor distribuição de carbonetos

Normalização

Normalização

TÊMPERA E

REVENIDO DOS

AÇOS

Têmpera e Revenido

O tratamento térmico, que consiste de têmpera e revenido é o mais

importante, possibilitando a obtenção de estruturas e propriedades

que permitem o emprego do aço em peças de maior responsabilidade

e em aplicações mais críticas.

Aços com teor de carbono menor de ~0,3 % não podem ser endurecidos

por têmpera com eficiência

A têmpera consiste:

- em resfriamento rápido a partir da temperatura de austenitização, em

um meio de grande capacidade de resfriamento.

- As temperaturas de austenitização coincidem com as temperaturas do

recozimento pleno.

O tempo da permanência na temperatura deve ser em torno de 1,2 min

para cada mm da espessura (em banho de sal ou de chumbo: 0,6

min /mm).

Velocidade crítica de resfriamento

A velocidade de resfriamento deve ser tal, que a curva de resfriamento

pelo menos tangencie o cotovelo ou joelho da curva de início da

transformação da austenita (de modo a evitar que esta se transforme

nos constituintes normais) e atinja as linhas horizontais

correspondentes à formação de martensita.

Essa velocidade de resfriamento é a velocidade crítica de resfriamento e

dependerá da posição das curvas TTT, ou seja do tipo do aço, e da

forma e dimensões das peças.

(De acordo com as dimensões das peças, pode se obter estruturas mistas,

pois é possível que o núcleo das peças não resfrie com velocidade

suficiente de modo a evitar a formação de alguma perlita.)

Velocidade crítica de resfriamento

Ciclo clássico da têmpera e revenido

Meios de resfriamento na têmpera

Severidade da Têmpera: indica a taxa de resfriamento;

quanto mais rápido a têmpera, maior a severidade.

O resfriamento é tanto mais rápido (i.e., a taxa de

resfriamento |dT/dt| é tanto mais elevada): quanto mais

eficiente, do ponto de vista do escoamento do calor, for o

meio de resfriamento.

Para a severidade do meio são fatores importantes: a

condutividade térmica, a capacidade calorífica, a

temperatura e o grau de agitação do meio de

resfriamento.


Por ordem decrescente de severidade podemos indicar:

água agitada, água em repouso, óleo, ar, resfriamento em forno.

Têmpera em óleo é bastante utilizada para tratamento térmico de

muitos aços. Para aços de alto teor de carbono, a têmpera em água é

muito severa podendo produzir trincas e empenamentos.

Já o resfriamento ao ar de aços carbono comuns produz uma

estrutura quase totalmente perlítica.


A escolha do meio de resfriamento para a operação de têmpera

depende de:

a) dureza final desejada;

b) forma e dimensões das peças;

c) capacidade de endurecimento do aço.

Em princípio, quanto maior for a capacidade de resfriamento do meio,

maior a dureza final.

Contudo, velocidades muito drásticas, proporcionadas por meios de

grande capacidade de resfriamento, podem ser prejudiciais em

função das dimensões e formas das peças.


(a) Água sob agitação e (b) óleo


Perfil radial de dureza

para:

(a) Amostras cilíndricas

de diâmetro 50 mm

dos aços 1040 e

4140 temperado em

água e

(b) amostras cilíndricas

de diâmetros 50 e

100 mm do aço 4140

temperados em água.

Aquecimento

Aquecimento

Evitar tensões residuais

É necessário garantir um aquecimento uniforme ao longo de toda a

peça para reduzir as tensões internas (devidas a gradientes

térmicos) e consequentes deformações.

Aquecimento

Aquecimento

Evitar oxidação superficial

Devido à atmosfera oxidante do forno, pode haver oxidação do Fe e C:

Se o Fe oxidar, a peça fica com uma película de óxidos fácil de detectar e de remover.

Se o C oxidar, não se consegue detectar o problema. Mas o aço fica descarbonetado e a sua dureza superficial inferior ao esperado.

Solução:

Potencial de carbono da atmosfera = teor em carbono do aço:

caixas de proteção com coque queimado, limalha de ferro fundido

fornos de atmosfera controlada

Temperatura de Austenitização

Temperatura

Aços hipo: Ac3+ 50ºC

Aços hiper: Ac1+ 50ºC

Ac3 ou Ac1 podem ser

determinadas através de:

• Diagrama de equilíbrio

• Curvas dilatométricas

• Fórmulas empíricas

• Diagramas TI ou TC

Nota: Para aços com elementos de liga que formam carbonetos estáveis (ex: aços rápidos) deve-se elevar a temperatura acima de Acm (~300ºC) para dissolvê-los e enriquecer a austenita em carbono.

Tempo na Temperatura de Austenitização

O tempo na temperatura de austenitização depende da dimensão e da composição química:

aços s/ liga ou de pouca liga: 5 min / 10 mm de espessura

aços c/ média liga: 7 min / 10 mm de espessura

aços de muita liga: 10 min / 10 mm de espessura

O tamanho de grão da austenita, que dita os resultados da têmpera, depende fundamentalmente da temperatura mas também do tempo.

Deve-se evitar tamanho de grão da austenita muito grande porque:

Diminui a tenacidade

Gera tensões residuais

É mais fácil de empenar

É mais fácil de ocorrer fissuras

A formação e as propriedades da martensita

O resfriamento rápido em aços pode conduzir à formação de uma fase não

prevista no diagrama de equilíbrio: a martensita.

Microestrutura da martensita

(aço AISI 8620) Martensita

Martensita

A martensita é uma solução sólida supersaturada de C no Fe de rede

cristalina cúbica de corpo centrado ou de Fe de rede cristalina

tetragonal de corpo centrado.

A rede cristalina do ferro estará necessariamente distorcida em escala

atômica.

Martensita

Martensita

A transformação martensítica ocorre sem difusão, começando a uma

temperatura fixa, para cada aço, designada por Ms (martensite

start). Ms diminui com o aumento do teor em carbono de um aço.

A temperatura abaixo da qual não ocorre mais transformação

martensítica designa-se por Mf (martensite finish).

Transformação Martensítica

As transformações martensíticas não são exclusivas dos aços; outros

sistemas também são susceptíveis de sofrer esse tipo de

tranformação.

Durante a transformação martensítica as placas da fase nova surgem

ao longo de planos possíveis de deslizamento. As mudanças

cristalográficas, que ocorrem durante a transformação resultam

nas suas propriedades únicas. A martensita transfere sua elevada

dureza e grande fragilidade ao aço temperado.

Martensita

Quando não se transformou toda austenita em martensita na

microestrutura do material observa-se a presença da austenita

retida.

Microestrutura mista de martensita (escura) e

austenita retida (clara- marcada com flechas)

Martensita

A dureza da martensita aumenta com o teor do carbono no aço. Os

aços de alto carbono (a partir de 0,7 %) mostram uma tendência a

reter a austenita, o que diminui a dureza.

A dureza do aço depende do teor do carbono e da

porcentagem da martensita obtida durante a têmpera

Revenido

Depois da têmpera o aço tem:

Resistência e dureza elevadas

Alongamento (%) e tenacidade ao choque (K) baixas

Muitas tensões internas.

O revenido, portanto, tem como objetivo:

- Alivíar ou remover tensões

- Corrigir a dureza e a fragilidade,

- Aumentar a dutilidade e a tenacidade

Revenido

Após a têmpera e homogeneização da temperatura, o aço é colocado

durante um certo período de tempo a uma temperatura abaixo da

temperatura eutetóide, seguido de resfriamento ao ar.

Revenido O revenido provoca uma evolução do material para um estado mais

próximo do estado de equilíbrio sem atingí-lo completamente. Durante o revenido ocorrem transformações na microstrutura do aço,

induzidas por difusão: - decomposição da martensita - formação de precipitados de carbonetos.

As propriedades mecânicas obtidas no revenido dependem das transformações dos constituintes obtidos depois da têmpera.

A ferrita, a perlita e a bainita que estão relativamente próximas do estado de equilíbrio praticamente não se alteram.

A martensita e a austenita residual, nitidamente fora de equilíbrio, é que vão transformar-se, sendo responsáveis pelas alterações significativas das propriedades mecânicas.

Revenido

Efeito da temperatura de

revenido nas propriedades

mecânicas de uma barra de

aço 4340 temperado em óleo.

REVENIDO

150- 230°C os carbonetos começam a precipitar

Estrutura: martensita revenida

(escura, preta)

Dureza: 65 RC 60-63 RC

230-400°C os carbonetos continuam a precipitar em forma

globular (invisível ao microscópio)

Estrutura: TROOSTITA

Dureza: 62 RC 50 RC

REVENIDO

400- 500°C os carbonetos crescem em glóbulos,

visíveis ao microscópio

Estrutura: SORBITA

Dureza: 20-45 RC

650-738°C os carbonetos formam partículas globulares

Estrutura: ESFEROIDITA

Dureza: <20 RC

Mudanças durante o revenido

Troostita: agregado escuro; há

precipitação de carbonetos finos

Sorbita: partículas de cementita

precipitadas, as quais ficam

perfeitamente visíveis numa matriz

ferrítica.




Transformação da austenita residual

Para os aços muito ligados e com muito carbono, outro fenômeno pode ocorrer:

ente 500~600ºC a austenita residual que está super-saturada em C fica mais

pobre em C.

O ponto Ms sobe e no resfriamento a γr→M, chamada martensita secundária.

TRATAMENTOS

ISOTÉRMICOS

Os tratamentos isotérmicos são baseados no conhecimento das

curvas TTT. São conduzidos de tal maneira que as

transformações de fases se realizam a uma temperatura

constante

Martêmpera

Visa a obtenção de martensita, porém em condições diferentes da

têmpera normal.

O procedimento consiste dos seguintes estágios:

resfriamento rápido da temperatura de austenitização em um

meio líquido aquecido (óleo quente, banho de sal fundido, metal

fundido, leito fluidizado) a uma temperatura acima da temperatura

do início da formação de martensita (Ms)

manutenção nesta temperatura até a obtenção da uniformidade

da temperatura da peça ao longo da sua seção transversal

resfriamento a uma taxa moderada (ao ar), para evitar grandes

diferenças de temperatura entre a superfície e o centro da peça.

A formação da martensita ocorre uniformemente na seção inteira

durante o resfriamento até a temperatura ambiente. A

microestrutura depois da martêmpera é então essencialmente

martensita, que é frágil para a maioria de aplicações. Por isso o

material tratado termicamente pela martêmpera exige um

revenido como o material após uma têmpera convencional

A vantagem da martêmpera é que não se produz uma grande diferença

de temperatura entre a superfície e o centro da peça, de modo que a

formação da martensita ocorre a uma velocidade uniforme através de

toda a seção do aço; eliminando-se, assim, praticamente todas as

tensões residuais, o empenamento e as fissuras de têmpera.

Utiliza-se para peças propensas a sofrerem empenamentos e que

necessitam das mesmas propriedades alcançáveis pela têmpera

seguida de revenimento.

Os meios de resfriamento mais usados para a martêmpera são:

óleo quente - com temperatura até 205°C (martêmpera padrão)

- com temperatura até 175°C ( martêmpera

modificada)

sais fundidos – na faixa de temperaturas entre 160 e 400°C.

Os aços liga são mais adequados para martêmpera do que os aços

carbono.

Austêmpera

Tratamento isotérmico composto de aquecimento até a temperatura de

austenitização, permanência nesta temperatura até completa

equalização, resfriamento rápido até a uma temperatura

constante, acima de Ms, promovendo-se a transformação completa

da austenita em bainita, seguindo-se um resfriameto ao ar.

Aços para austêmpera

A seleção dos aços para austêmpera deve ser baseada nas curvas

TTT, especialmente no tempo necessário apara a transformação

bainítica, e na posição da temperatura de início de transformação

martensítica.

Os aços mais usados são: aços carbono com 0,5 –1,0%C (min

0,6%Mn), aços alto carbono com menor teor de Mn (0,9 %C), alguns

aços baixa liga com teor de carbono acima de 0,3%.

As vantagens da austêmpera

(1) menos distorção e trincamento do que na martêmpera,

(2) não precisa de têmpera final (consome menos tempo e melhor

eficiência de uso de energia)

(3) melhoria da tenacidade (maior energia de impacto do que a Têmpera e

revenido clássico)

(4) melhor ductilidade

(5) ciclo mais curto para peças que exigem dureza na faixa 35-55 HRC

com economia nos custos de energia e investimentos.

As limitações da austêmpera

A austêmpera pode se aplicar só em casos, onde a transformação em

perlita pode ser evitada. Isso significa que a secção inteira deve ser

resfriada com suficiente rapidez. Isso limita que nas aplicações industriais

não se empregam seções mais grossas do que ½ polegada. A espessura

pode ser aumentada em caso de aços ligados, mas por outro lado o tempo

de transformação para bainita pode demorar muito.

TRATAMENTOS

SUPERFICIAIS

Nem sempre é necessário se obter elevada dureza à

máxima profundidade

Para muitas aplicações a dureza superficial adequada,

abrangendo camadas superficiais relativamente finas é

mais do que suficiente.

Métodos de endurecimento superficial são mais

econômicos.

TRATAMENTOS SUPERFICIAIS

O objetivo dos tratamentos superficiais é realçar as propriedades de superfície

para atender requisitos específicos, enquanto o interior da peça mantém suas

propriedades estruturais.

Os tratamentos de endurecimento superficial podem ser divididos em dois grupos:

Têmpera superficial: possibilitam um endurecimento somente devido ao

aquecimento localizado da superfície, através de transformações de fase

termicamente induzidas.

- por chama

- indução

- feixe de elétrons

- por laser

Tratamentos termo-químicos: envolvem alterações na composição da

camada superficial

- cementação

- nitretação

TRATAMENTOS SUPERFICIAIS

Têmpera Superficial

O procedimento da têmpera superficial consiste em aquecer-se a superfície do aço rapidamente, de modo que atinja a zona austenítica, até uma certa profundidade, seguindo-se resfriamento rápido. Desse modo, somente uma camada superficial, de espessura que pode ser determinada com alguma segurança, ficará temperada e adquirirá a estrutura martensítica. Abaixo dessa camada o aço permanece na sua condição original de estrutura recozida ou, eventualmente, normalizada, com uma zona de transição.

Vantagens: endurecimento apenas em seções críticas das peças, como dentes de engrenagens, guias de máquinas operatrizes, etc; menores riscos de empenamento e fissuras durante o resfriamento; utilização de aços de menor custo, como os aços C; menor investimento em equipamentos.

Os aços mais comumente usados na têmpera superficial são aços carbono com teor de carbono acima de 0,35 % ou aços liga com baixos teores de elementos de liga.

Os dois principais processo de têmpera superficial são:

- têmpera por chama

- têmpera por indução

Têmpera por chama

Este é o processo mais antigo. Utiliza-se uma chama de oxi-

acetileno e um jato de água na forma de borrifo.

Gás Combustível Água

Chama Água

Zona Endurecida Martensita Aço

Temperatura

~ 3000°C

A temperatura para atingir a zona austenítica depende do teor de C. Quanto

mais baixo o carbono, maior a temperatura: 850 a 875°C para aços com

0,6% C; 900 a 975°C para aços com 0,3% C.

O sistema mais simples é o de um dispositivo semelhante a um torno

onde as peças de seção circular uniforme seriam colocadas entre as

pontas do mesmo, girando a uma velocidade periférica determinada,

com a torcha de oxi-acetileno e o bocal de água colocados no carro. A

torcha deve ser dimensionada de acordo com a área a ser aquecida de

uma só vez. A chama aquece sucessivamente a peça em rotação,

seguindo-se imediatamente o resfriamento pela água.

O processo de têmpera por chama é mais adequado para aços com

médio teor de carbono (na faixa de 0,4 –0,6 %C).

Quanto menor o tempo do tratamento, menor a profundidade de

penetração (10 a 12 s). A profundidade do endurecimento pode ser

aumentada com o prolongamento do aquecimento; neste caso mais

suave é o gradiente de dureza da superfície para o centro. Pode ser

obtida uma profundidade até cerca de 6,5 mm.

Peças grandes que não cabem nos fornos também podem ser tratados

com a têmpera por chama.

A têmpera por chama pode ser conduzida manualmente ou no modo

automatizado. O equipamento automático produz resultados

uniformes. Os equipamentos automáticos tem velocidades variáveis e

podem ser adaptados para peças de diferentes tamanhos e formas. A

forma e o tamanho da torcha depende também da forma e tamanho da

peça tratada.

Têmpera por indução

Neste processo, o calor superficial é produzido por indução

eletromagnética, mediante o emprego de bobinas de cobre que

envolvem a peça.

Uma corrente alternada flui a partir do conversor através do indutor

ou bobina de trabalho e produz um campo magnético altamente

concentrado.

A voltagem induzida na peça provoca um fluxo de corrente. O

aquecimento é causado devido à resistência da peça ao fluxo da

corrente induzida.

Correntes de alta freqüência são utilizadas quando se deseja camadas

endurecidas finas e freqüências intermediárias ou baixas quando as

camadas devem ser mais espessas

A espessura da camada endurecida depende da forma da bobina, do espaço

entre a bobina de indução e a superfície da peça, da taxa de alimentação da

força, da freqüência e do tempo de aquecimento.

A alta velocidade aquecimento da superfície –a alta velocidade da têmpera –

ajuda evitar a distorção dimensional causada pelas tensões internas. O centro

da peça mantém sua propriedades iniciais. Este fato possibilita a substituição de

aços liga por aços carbono tratados por este método de endurecimento

superficial. A têmpera superficial é aplicada para aços liga somente nos casos

quando se exige alta resistência mecânica do centro da peça.

Bobinas de indução de alta frequência, constituídos de tubos de cobre comercial,

no interior dos quais flui água para seu resfriamento. Os diâmetros desses tubos

variam de 1/8’’ para baixa potência a 3/16’’ para unidades de 20 a 50 kW.

Dentes de engrenagem temperadas por indução

Tratamento térmico por feixe de elétrons

O tratamento térmico por feixe de elétrons é um processo seletivo de

endurecimento, em que a superfície de uma liga de ferro endurecível é aquecida

rapidamente acima da temperatura de transformação da liga, através do

bombardeamento ou colisão direta de uma corrente de elétrons acelerados.

No final do ciclo de aquecimento, entre 0,5 e 2,5 s, o fluxo de elétrons é parado

inesperadamente para permitir que a região trabalhada resfrie, formando uma

estrutura martensítica.

No tratamento térmico com feixe de elétrons, um feixe altamente concentrado de

elétrons, com alta velocidade é usado para áreas de aquecimento seletivo. O feixe

é extremamente energizado pela aceleração entre os catodos e os anodos. O feixe

concentrado é controlado através de uma bobina de foco.

Durante o tratamento na câmara é necessário manter alto vácuo ( 10-2 torr), para

possibilitar a emissão e aceleração dos elétrons, bem como proteger o emissor das

oxidações.

No tratamento térmico por feixe de elétrons a energia cinética dos elétrons é

transformada para o aquecimento da peça no momento do impacto dos elétrons

na superfície da mesma. Com a ajuda de oscilação de alta velocidade e com o

controle digital o feixe de elétrons pode varrer a superfície de forma

determinada possibilitando endurecimento superficial em áreas minúsculas e

em peças com paredes finas e em peças com formas complexas.

Equipamento de tratamento por feixe de elétrons com controle digital

Tratamento térmico por LASER

O endurecimento superficial por laser utiliza um feixe de laser de alta

energia e bem definido como fonte de calor. Quando o feixe de laser

atinge a superfície, parte da energia é absorvida na forma de calor. Se a

densidade da força do feixe de laser é suficientemente alta, o calor pode

ser gerado na superfície mais rapidamente do que a condução de calor ao

interior pode removê-lo, e a temperatura na camada de superfície

aumentará rapidamente.

Em um tempo muito curto, uma camada fina

da superfície terá alcançado a temperatura

de austenitização, enquanto o interior do

componente ou da peça estará frio. A

concentração da energia é tipicamente entre

1000 e 2000 W/cm2 e o gradiente da

temperatura obtido 500°C/mm.

Movendo o feixe de laser sobre a superfície do componente ou peça, um ponto na

superfície dentro do trajeto do feixe é aquecido rapidamente enquanto o feixe

passa.

Esta área é subseqüentemente resfriada rapidamente pela condução do calor ao

interior depois que o feixe passou.

Selecionando a força de densidade e a velocidade correta do ponto do laser, o

material pode endurecer até a profundidade desejada. Esta profundidade

resultante depende da resposta ao endurecimento do material, mas será

raramente maior do que 2,5 mm. Para aço de baixo carbono a profundidade é

menor, em torno de 0,25, para aço de médio carbono em torno de 1,3 mm.

Para formar uma camada superficial de martensita, o metal deve ser aquecido a

~900°C ( em caso de aços – liga até temperaturas mais altas).

Tratamento superficial de uma peça por laser e a microestrutura da trilha da

passagem do feixe

TRATAMENTOS

TERMO-QUÍMICOS

TRATAMENTOS

SUPERFICIAIS

Os tratamentos termo-químicos também visam o endurecimento superficial

dos aços.

Neste caso, o endurecimento da superfície não resulta de uma simples

transformação da austenita em martensita. Ocorrem reações químicas entre

elementos contidos no ambiente onde os tratamentos são executados e os

elementos do aço. Esses meios podem ser sólidos, líquidos ou gasosos.

CEMENTAÇÃO

CEMENTAÇÃO

Processo clássico, mais conhecido e aplicado, porque permite o emprego dos

três meios citados.

Na cementação (ou carburização), o elemento fundamental é o carbono, na

forma de carvão, monóxido de carbono ou contido em banhos de cianeto.

Os aços a serem cementados devem possuir carbono baixo, de modo que,

quando aquecidos a elevadas temperaturas (de austenitização), na presença de

um meio carbonetante, o carbono desse meio reage com o ferro do aço, de

acordo com a reação:

C + 3 Fe → Fe3C

A superfície do aço fica endurecida de

carbono, até profundidade que pode ser pre-

estabelecida, permitindo a têmpera posterior.

Os processos usuais de cementação

permitem elevar o teor de carbono da

superfície do aço a valores da ordem de 0,8

a 1%.

CEMENTAÇÃO

A profundidade de cementação depende da temperatura e do tempo à

temperatura, pois tanto temperaturas mais elevadas como tempos mais longos

facilitam a difusão do carbono para o interior do aço.

No entanto, temperaturas elevadas podem levar a excessivo crescimento de grão,

o que pode ser atenuado pela adição de elementos de liga inibidores do

crescimento de grão, como Al, Ti ou Nb.

Outros fatores, além da temperatura e do tempo, influem na velocidade de

enriquecimento superficial de carbono:

-Teor inicial de carbono do aço, o qual quanto menor, maior a velocidade de

carbonetação

- Coeficiente de difusão do carbono no aço.

- Natureza do agente carbonetante (CO e CH4). O poder carbonetante destes

gases difere pouco na prática.

- Velocidade de fluxo de gás que pode influir na velocidade de reação da

superfície e pode ocasionar a formação de excessiva quantidade de carbono livre,

na forma de fuligem, na superfície do aço, provocando perda de controle do

potencial de carbono e cementação pouco uniforme.

CEMENTAÇÃO

CEMENTAÇÃO

Aços para cementar

Primeiro requisito é baixo carbono, geralmente se usam aços com teor de carbono

até 0,2%, porque a difusão de carbono é mais rápida e porque núcleo de baixo

carbono significa tenacidade e resistência ao choque.

O aço deve ter um baixo teor de manganês (menos de 0,4%), porque esse

elemento atribui uma característica de fragilidade na camada cementada. O

alumínio, vanádio e silício também devem ser encontrados em baixa quantidade

pois podem provocar a grafitização do carbono. O níquel é utilizado em teores de

até 5% para aumentar a temperabilidade. O cromo aumenta a velocidade de

cementação.

Os aços para cementação devem possuir preferivelmente uma granulação fina

que exigem normalmente uma única operação de têmpera que pode ser realizada

diretamente da temperatura de cementação.

CEMENTAÇÃO EM CAIXA

A cementação foi primeiramente realizada utilizando-se o método "cementação

em caixa" (pack), onde as peças eram seladas em uma caixa metálica

resistente ao calor preenchida com misturas carburizantes.

A mistura mais usada é formada por carvão vegetal e/ou coque com a adição

de 5-10% de catalisador (BaCO3 ou Na2Co3) e aglomerador ( 5-10 % de óleo

de linhaça) para formar peletes. Em temperaturas elevadas o monóxido de

carbono liberado pelo material fornece o carbono para o aço:

C + O2 → CO2

C + CO2 → 2CO

2CO + 3Fe → Fe3C + CO2

C + CO2 → 2CO

A reação entre o CO e Fe depende da relação CO : CO2. A cementação ocorre

por absorção e difusão do carbono pela parte metálica. Quanto mais alta a

temperatura, mais rápido ocorrerá o fenômeno da cementação (temperatura na

faixa de 900ºC a 950ºC). Na cementação em caixa a relação CO : CO2 para o

aumento do teor de carbono é melhorada pela adição de catalizadores

(carbonato de bário).

CEMENTAÇÃO EM CAIXA

O cemento é formado por uma camada bem socada de aproximadamente 2 cm

de espessura no fundo da caixa. Sobre essa camada são colocadas as peças a

serem cementadas com uma distância de 2 cm entre elas. Cobrem-se as peças

com uma camada da mesma espessura de cemento socado. Tampa-se a caixa

com uma tampa e leva-se ao forno ( de 850ºC a 1000ºC). Deixa-se no forno o

tempo necessário para se obter a espessura da camada cementada que se

deseja.

Alguns incovenientes da cementação em caixa são:

- não é possível a têmpera direta, consumo mais elevado de energia

(aquecendo as caixas),

- necessita de muita mão de obra para preencher a caixa,

- irregularidades de distribuição da temperatura.

As vantagens incluem a simplicidade e a aplicação econômica para lotes

pequenos e peças grandes, possibilidade de usinagem após a cementação.

CEMENTAÇÃO GASOSA

Na cementação gasosa a camada superficial da peça é envolvida em um meio

gasoso, e aquecida durante um certo tempo a uma determinada temperatura.

A temperatura permite a transferência dos átomos de carbono para a superfície

da peça, que é processada por reações químicas. Dá-se ainda a difusão do

carbono para o interior da peça, que consiste, portanto, numa migração dos

átomos de carbono.

Os agentes carbonetantes são monóxido de carbono CO e os gases metano

CH4, etano C2H6 e propano C3H6. As reações que produzem carbono para

cementação podem ser resumidas:

CO + H2 (C) + H2O

2CO (C) + CO2

CH4 → (C) + 2 H2

C2H6 (C) + xCH4 + yH2

C3H8 (C) + xC2H6 + yC2H4 + 2 H2

CEMENTAÇÃO GASOSA

Os gases mais empregados são gás natural, gás fabricado e propano.

Uma prática comercial é utilizar um gás endotérmico, contendo cerca de 40%

de N2, 21% de CO e 39% de H2 enriquecido com um dos gases derivados de

hidrocarbonetos.

O emprego dos hidrocarbonetos puros causam um depósito de fuligem que

atrasam a reação de cementação e é por isso que se utilizam gases diluentes

como o hidrogênio, nitrogênio, etc. O teor de metano após a adição ao gás

endotérmico é tipicamente em torno de 1%.

O sucesso da cementação a gás depende de três variáveis principais:

temperatura, tempo e composição da atmosfera.

CEMENTAÇÃO GASOSA

Temperatura. O enriquecimento da superfície do aço é limitado pela taxa de

difusão do carbono na austenita, esta taxa cresce com o aumento da

temperatura. Essa temperatura garante um processo suficientemente rápido

sem a deterioração exagerada do equipamento usado. É importante a

uniformidade da temperatura na peça inteira para garantir uma camada de

difusão uniforme. A uniformidade da temperatura pode ser obtida

primeiramente com um controle cuidadoso dos parâmetros do aquecimento e

permanência no forno.

Tempo. A espessura da camada cementada depende tanto da temperatura

como do tempo. A formula de Harris possibilita o cálculo da espessura da

camada cementada em função da temperatura e do tempo:

E.C.C. = 660.e-8287/T. t 1/2,

onde: ECC – espessura da camada cementada em mm,

T - temperatura em Kelvins,

t – tempo em horas.

CEMENTAÇÃO GASOSA

Em caso de peças grandes o tempo de aquecimento pode representar uma

porção significante do tempo do processo. Deve-se levar em consideração o

tempo necessário para o resfriamento a partir da temperatura de cementação

para a temperatura de têmpera que é mais baixa : 845°C. Durante este

resfriamento o crescimento da camada continua, mas com uma taxa mais

baixa. Caso isso não seja desejado é possível mudar a composição da

atmosfera diminuindo o seu potencial de carbono.

Composição da atmosfera. A eficiência da atmosfera é dada pelo potencial de

carbono, que depende da taxa de adição do metano ao gás endotérmico, e

também da taxa do fluxo do próprio gás endotérmico. O acompanhamento da

composição da atmosfera se realiza pela medida do teor de dióxido de

carbono e do vapor de água, que fornecem uma informação sobre o potencial

de carbono.

CEMENTAÇÃO GASOSA

O processo de cementação a gás é mais oneroso e exige controle mais

rigoroso que a cementação sólida.

Algumas vantagens desse processo:

-Permite a cementação de peças mais delicadas, além de ter o teor de

carbono e espessura da camada cementada mais uniforme.

- Permite têmpera direta

- Apresenta maior velocidade de penetração de carbono

- Previne a oxidação das peças, pois os gases empregados são protetores

Algumas desvantagens:

- dificuldade de controle da atmosfera dentro de certos limites,

- mão de obra mais especializada.

CEMENTAÇÃO LÍQUIDA

Neste processo o meio carburizante é um sal a base de cianeto (NaCN).

Outros constituintes são: BaCl2, KCl, NaCl.

Esse banhos podem ser ativados por adição de carbono, grafite e fluoretos,

óxido de boro, MnO2. A composição dos banhos usados depende da

temperatura da cementação, que neste caso pode ser em duas faixas: 840-

900°C – para camadas mais finas e de 900-950°C para camadas mais

grossas (0,5-3mm).

As reações são complexas, alguns parciais :

2NaCN + BaCl2 → 2NaCl + Ba(CN)2

Ba(CN)2 + Fe → (C) + BaCN2

2CO + Fe C (no Fe) + C O2

Fe +C → C (no Fe)

A cementação líquida é feita em fornos de banho de sal.

CEMENTAÇÃO LÍQUIDA

Após o processo do banho, mergulha-se a peça em óleo para evitar oxidação.

Vantagens do processo:

- economia do tempo de aquecimento,

- distribuição uniforme da temperatura,

- as peças podem ser retiradas do banho e serem temperadas imediatamente.

Desvantagens do processo:

- alto custo dos sais,

- perigo no manuseio das peças.

Como alternativa existe a possibilidade de cementação em líquido sem

cianeto, neste caso a mistura de sais é formada por carbonetos de metais

alcalinos com carbono finamente disperso no banho. As temperaturas

empregadas são na faixa de 900 –950°C.

NITRETAÇÃO

NITRETAÇÃO

O raio atômico do nitrogênio é 50% do raio atômico do ferro e em torno de 8%

menor do que o raio atômico do carbono. Isso possibilita a inclusão do

nitrogênio atômico na posição intersticial da rede cristalina do ferro.

Nitretação é um tratamento termoquímico superficial onde o nitrogênio é

introduzido na fase α (ferrita) em temperaturas entre 500 – 570 °C (o

nitrogênio apresenta maior solubilidade do que o carbono).

Consequentemente, não ocorre mudança de fase quando o aço é resfriado até

a temperatura ambiente.

Objetivo: Aumentar a dureza e a resistência ao desgaste mantendo o núcleo

dútil e tenaz.

NITRETAÇÃO

Propriedades dos aços Nitretados

Alta dureza superficial com aumento da resistência ao desgaste e com

pouco risco de descamação.

Alta resistência à fadiga –formação de forças compressíveis na superfície

do aço.

Melhora da resistência à corrosão em aços não inoxidáveis.

Elevada estabilidade dimensional.

Sem risco de empenamento.

NITRETAÇÃO

Temperatura de Nitretação: 500 –570°C

limite superior –pré-requisito para que não ocorra transformação de fase

limite inferior –requerimento para que ocorra dissociação da amônia

Reação de Nitretação: Amônia em contato com a superfície aquecida do aço

se dissocia:

2NH3 2NFe + 3 H2

O nitrogênio na forma atômica pode ser absorvido pelo aço. Na superfície ao

atingir um determinado nível de saturação de nitrogênio, nitretos são

formados através do mecanismo de nucleação e crescimento.

O nitrogênio forma nitretos com os elementos como alumínio, silício titânio,

vanádio, cromo, molibdênio e ferro. Os nitretos são fases duras e

precipitam na matriz de ferro resultando em alta dureza.

NITRETAÇÃO

Aços que contem estes elementos de liga são usados para a nitretação:

aços baixa liga com alumínio (0,24-0,42 % de C, 1 % de Al)

aços de baixa liga de médio carbono que contém cromo

aços para ferramentas de trabalho ao quente com 5% de cromo

alguns aços inox ferríticos, martensíticos e austeníticos

aços inox endurecíveis por precipitação.

NITRETAÇÃO GASOSA

É o mais clássico dos processos de nitretação.

Reação – em contato com o aço a amônia se dissocia liberando nitrogênio

atômico, que pode ser absorvido pelo aço e dissolvido intersticialmente no

Fe.

2NH3 → 2N + 3H2

Microestrutura do aço AISI 1015

Nitretação gasosa

Quando a superfície atinge um

determinado nível de saturação, nitretos

são formados através do mecanismo de

nucleação e crescimento, requerendo um

determinado tempo de incubação.

A difusão do nitrogênio na nitretação é

lenta e em geral no processo industrial

exige tempos entre 48 e 72 horas. Mesmo

com tempos longos a espessura da

camada nitretada dificilmente ultrapassa

0,8mm.

NITRETAÇÃO GASOSA

As peças devem ser limpas (sem óleo e oxidação) colocadas em caixas

especiais, feitas de níquel e cromo. O processo de nitretação a gás pode

ser realizada em estágio único ou em estágio duplo. Em estágio único a

carga de forno é aquecida na faixa de 495-525 °C com uma taxa de

dissociação da amônia entre 15 e 30%. Neste processo forma-se na

superfície a camada branca dura e frágil.

O processo de estágio duplo resulta em camada branca reduzida. No

primeiro estágio deste processo os parâmetros são idênticos ao processo

anterior exceto pelo tempo, que é mais curto. No segundo estágio o que

muda é a taxa de dissociação da amônia, elevada para a faixa entre 65 e

85% . A temperatura pode ser mantida como no primeiro estágio ou pode

ser ligeiramente elevada para a faixa entre 550 e 565 °C.

Antes da nitretação é feito um tratamento térmico de têmpera para que seja

obtida boas propriedades no núcleo da peça. A dureza superficial obtida na

têmpera não influencia o tratamento da nitretação. Em alguns aços

adiciona-se níquel para dar mais ductilidade ao núcleo.

NITRETAÇÃO LÍQUIDA

Neste processo o meio nitretante é uma mistura de sais fundidos. O banho de

sais comercialmente mais empregado consiste de uma mistura de sais de

sódio (60-75%) e sais de potássio (30-40%). O principal constituinte nos

sais de sódio é o NaCN com adição de pequenas quantidade de Na2CO3 e

NaCNO. Nos sais de potássio o KCN, K2CO3 e KCNO são representados

na mesma proporção.

A temperatura do processo é praticamente igual à temperatura da nitretação a

gás, os tempos são freqüentemente menores. À temperatura da nitretação

carbono e nitrogênio paralelamente são liberados no banho de sais, porém,

somente o nitrogênio é suficientemente ativo a essa temperatura para

difundir no ferro formando nitretos. O processo da nitretação líquida pode

ser acelerada pela introdução de amônia sob pressão no banho de cianeto-

cianato, resultando em tempos médios nitretação de 24 horas. Outra

possibilidade é bombeamento de ar através do banho de sal, estimulando a

atividade química pela agitação do banho.

Nitretação líquida

Microestrutura do aço carbono


NITRETAÇÃO IÔNICA OU POR PLASMA

A nitretação iônica é uma técnica muito utilizada no endurecimento superficial

de aços. Ela vem substituindo, com grandes vantagens, técnicas convencionais

de nitretação como a nitretação gasosa e a nitretação em banho de sais.

A técnica se baseia na interação do plasma com a superfície da peça que se

deseja nitretar. Um reator hermeticamente fechado, possuindo em seu interior

dois eletrodos, é interligado a uma fonte de tensão d.c. e a um sistema de

vácuo. Entre os dois eletrodos é aplicada uma diferença de potencial

necessária para gerar plasma (entre 350V-600V). Devido a esta diferença de

potencial, elétrons livres são acelerados, colidem com os átomos neutros do

gás nitretante, ionizando-os ou excitando-os, formando assim o plasma.

A peça a ser nitretada, fixada no ânodo, é revestida pelo plasma.

Íons presentes no plasma bombardeiam a superfície da peça, arrancando

átomos que reagem com as espécies ativas do plasma e, os produtos dessas

reações, são redepositados.

Nitretação Iônica ou por Plasma

A Camada Nitretada

Duas zonas distintas são formadas durante o processo da nitretação.

Uma zona mais externa, que consiste de nitretos ε – Fe2-3(N,C) e/ou '-Fe4N,

denominada de zona de compostos (ou camada branca) e

outra mais interna, consistindo de uma solução sólida de nitrogênio na matriz

e precipitados dispersos coerentes ou semi-coerentes, denominada de zona

de difusão.

A Camada Nitretada

Enquanto a zona de compostos forma nitretos muito duros e frágeis, a zona de

difusão forma uma região de dureza intermediária que suavizará o perfil de

dureza com o substrato.

Assim, dependendo da aplicação, tanto as fases superficiais (zona de

compostos) como a relação entre as duas zonas podem ser modificadas.

A zona de compostos garante alta resistência à corrosão. Por outro lado,

zonas de compostos mais espessos do que 20 micrometros podem se

destacar da superfície.

A espessura, o perfil da dureza e a

composição da camada nitretada

dependem além dos parâmetros do

processo usado também da composição

do material nitretado.

Processo Vantagens/Desvantagens


Transferência rápida do calor

Baixo custo

Grande quantidade de poluentes

Baixa eficiência

Nitretação a gás

Baixo custo

Dificuldades no controle do

processo

Nitretação iônica

Bom controle da camada branca

Endurecimento uniforme

Ciclo mais curto

Alto custo

Comparação dos processos industriais de nitretação

Bibliografia:

W. D. Callister Jr., Ciência e Engenharia de Materiais: uma

Introdução. LTC Editora, Rio de Janeiro (2002).

V. Chiaverini, Tratamentos Térmicos das Ligas Ferrosas,

ABM (1987).

ASM Handbook Heat Treating, vol. 4, ASM International.

D. R. Askeland, P.P. Phulé, Ciência e Engenahria dos

Materiais, Cengage Learning, 2008.

Documents

Tratamentos Térmicos Uma Introduçãofiles.asmm5.webnode.com/200000009-07d4c08cca/Tratamento termicos... · Ciclo geral de um tratamento térmico O ciclo geral de um processo de