UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE …ppgei.ufpa.br/images/docs/dissertacoes/Jovanio.pdf · Detalhes esquemáticos dos tratamentos térmicos 26 Figura 2.8. Esquema representativo

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA INDUSTRIAL

JOVANIO GOMES TENORIO

TÊMPERA POR INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA PROGRESSIVA DE ALTA FREQUÊNCIA APLICADA EM VIRABREQUIM DE MOTOCICLETA

BELÉM 2014

1



Dissertação de Mestrado Profissional apresentada ao

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Industrial

do Instituto de Tecnologia da Universidade Federal do

Pará, como requisito para a obtenção do título de Mestre

em Engenharia Industrial na área de Processos de

Fabricação. Orientador: Prof. Dr. Otávio Fernandes

Lima da Rocha e Coorientador:Prof. Dr. Evaldo Júlio

Fereira Soares.

BELÉM 2014

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Dissertação de Mestrado Profissional apresentada ao

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Industrial

do Instituto de Tecnologia da Universidade Federal do

Pará, como requisito para a obtenção do título de Mestre

em Engenharia Industrial na área de Processos de

Fabricação. Orientador: Prof. Dr. Otávio Fernandes

Lima da Rocha e Coorientador:Prof. Dr. Evaldo Júlio

Fereira Soares

Data da defesa: 04 de Agostode 2014. Banca examinadora: ________________________________________ Prof. Dr. Otávio Fernandes Lima da Rocha Orientador – Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará-IFPA. ________________________________________ Profa. Dr. Evaldo Júlio Ferreira Soares Co-Orientador – Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará-IFPA. ________________________________________ Profa. Dra. Maria Adrina Paixão de Souza da Silva Membro externo – Universidade Federal do Pará/UFPA. ________________________________________ Profa. Dr. Daniel Joaquim da Conceição Moutinho Membro Interno – Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará-IFPA.

3

Dedico este Trabalho de Conclusão de Curso

aos meus familiares e à minha esposa que

não mediram esforços em apoiar-me nesta

jornada.

4

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente à Deus, pois sem Ele não conseguiria concluir esta etapa de

minha vida.

Aos meus familiares, em especial a minha esposa que esteve todo tempo ao meu lado,

sendo um suporte mesmo nos momentos mais difícies.

Ao professor Dr. Otávio Fernandes Lima da Rocha, meu orientador, pelas contribuições

e orientações no acompanhamento deste trabalho.

Ao professor Dr. Evaldo Júlio Ferreira Soares, meu Coorientador, pelas significativas

contribuições e acompanhamento deste trabalho

Aos professores do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Industrial - PPGEI,

pelos ensinamentos transmitidos durantre todo este período que contribuíram para meu

crescimento pessoal e profissional.

Ao Programa PPGEI, pela oportunidade de participar do programa de mestrado e

concluí-lo com sucesso.

Ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará - IFPA, pela estrutura

fornecida para realização dos experimentos.

À Aluna de Iniciação Científica, Andgela de Jesus Vanconcelos, por ter realizado os

ensaios de metalografía.

A todos aqueles que contribuíram, mesmo que indiretamente, para a realização deste

trabalho.

5

“Tentar eliminar o sintoma sem trabalhar na

dissolução da causa é inútil”.

(Thomas Henry Huxley)

6

RESUMO

Propriedades mecânicas de componentes de máquinas podem ser controladas por indução de

tranaformações de fases na superficie dos materiais. Endurecimento superficial por indução é

um proceso de fabricação em que a dureza da superficie é aumentada enquanto o núcleo é

mantido com a estrutura e características ooriginais. Nesse sentido, o presente trabalho,

visando aumento de dureza superficial, tem como objetivo principal aplicar no virabrequim de

uma motocicleta o tratamento térmicode têmpera por indução eletromagnética. O tratamento

foi aplicado na própria indústria de fabricação da motocicleta. Um dispositivo de têmpera por

indução eletromagnética do tipo Indutor Reto, cujo calor para aquecer a região a ser

temperada é gerado na própria peça,foi utilizado. Medição da profundidade da camada

temperada, ensaios de matalografias, caraterização por microscopia ótica e difratometria por

raios X (DRX) e ensaios de macrodireza (Rockell C - HRC e microdureza - HV), variando

do núcleo à superfície da região temperada, foram realizados. Os resultados obtidos mostram

que a profundidade da têmpera alcançou o valor de 1,5 mm e as microdurezas obtidas para os

três corpos de provas ensaiados foram 20, 22 e 23 HRC no núcleo e 54, 54 e 58 HRC na

superficie tratada, respectivamente, assim como foram observados valores elevados de

microdureza na região tratada termicamente, resultando em valores médios de 678,2, 516,2 e

658,8 HV, para os três corpos de provas ensaiados, respectivamente. A microestrutura

resultante apresenta no núcleo da peça ferrita pró-eutetóide em rede nos contornos de grãos de

perlita toostita. A região tratada termicamente é composta por uma área refinada de

carbonetos dispersos em matriz rica em ferrira refinada, resultando numa microestrutura

martensita-revenida, responsável pela elevada dureza observada nessa região. A comparação

dos resultados experimentais deste trabalho com padrões de qualidade, estabelecidos pelo

fabricante da motocicleta, comprovou a eficácia do tratamento térmico superficial aplicado

no virabrequim.

Palavras-chave:Têmpera por Indução Eletromagnética, Microscopia Ótica, Difratometria de Raios X, Microdureza.

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ABSTRACT

Mechanical properties of machined components are controlled by inducing phase

transformations in the outer layer of the materials. Induction hardening is one such

manufacturing process where the surface hardness is enhanced while thecore is retained with

the original structure and characteristics.In this sense, the present work,aiming surface

hardening, has as main objective to apply the electromagnetic induction heat treatment in the

crankshaft of a motorcycle of 125cc. The heat treatment was applied in the motorcycle

manufacturing industry. An electromagnetic induction device of Straight Inductor type,whose

heat to warm herdned region is generated on the part itself, was used.Measuring the depth of

hardened layer, metallographic tests, optical microscopy and X-rays diffraction

(XRD)characterization and microhardness tests (Rockell C- HRC and microhardness - HV),

ranging from the core to the surface of the hardened region, were performed.The results show

that the depth of hardening has reached the value 1.5 mm, and the hardness observed for the

three tested sampleswere 20, 22 e 23 HRC at the core, and 54, 54 e 58HV and at the treated

surface, respectively, as well as high microhardness values were also observed in the heat

treated area, resulting in average values of 678.2 HV, 516.2 HV and 658.8 HV for the three

tested samples, respectively. The microstructure at the core of the heat treated specimen is

composed of pro-eutectoid ferrite network around the grains of toostita perlite.The thermally

treated region is composed by an area of fine carbides dispersed in refined ferrite-rich matrix,

resulting in a tempered-martensite microstructure, responsible by thehigh hardness observed

at thetrated surface. The comparison of the experimental results of this work to quality

standards, established by the motorcycle manufacturer, proved the effectiveness of surface

heat treatment applied to the crankshaft.

Keywords:Electromagnetic induction hardening, optical microscopy, X-ray diffraction, microhardness.

8

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1. Desenho esquemático do conjunto virabrequim de uma motocicleta 15

Figura 1.2. Desenho esquemático do conjunto motor de uma motocicleta 16

Figura 2.1 – Representação esquemática dos ciclos de tratamento térmico: temperatura,

permanência na temperatura e resfriamento 18

Figura 2.2 – Diagrama Ferro-Carbono (Fe-C) 19

Figura 2.3. Transformações de fases a partir da austenita 21

Figura 2.4. Síntese esquemática dos principais tratamentos térmicos 22

Figura 2.5. Esquema do diagrama TTT para resfriamento isotérmico 23

Figura 2.6. Diagrama CCT representativo para diversos resfriamentos 24

Figura 2.7. Detalhes esquemáticos dos tratamentos térmicos 26

Figura 2.8. Esquema representativo das etapas durante a têmpera 28

Figura 2.9. Esquema representativo do processo de tempera e revenimento 28

Figura 2.10. Aspecto fotográfico de um aço temperado e revenido 30

Figura 2.11. Esquema ilustrativo do processo de têmpera por indução 33

Figura 3.1. Desenho esquemático do virabrequim 37

Figura 3.2. Esquemático detalhando os 2 estágios do processo 39

Figura 3.3. Dispositivo utilizado no processo de têmpera tipo: Indutor Reto com Furo Ø

34mm (Mod. Fab. KRM "R" - Base: Ø30,3 Haste) 40

Figura 3.4. Registro das etapas de limpeza e medição dimensional da superfície da peça

tratada termicamente 41

Figura 3.5. Ilustração fotográfica no momento de ajuste da peça no durômetro e da medição

da dureza 42

Figura 3.6. Características dimensionais do virabrequim direito 43

Figura 3.7. Corpo-de-prova retirado do virabrequim 44

Figura 3.8. Esquema representativo para obtenção do perfil de microdureza (HV) 44

Figura 3.9. Esquema representativo mostrando o corpo de prova embutido e as áreas do para

revelação microestrutural 45

Figura 3.10. Microscópio óptico Olimpus UC30, Laboratório de Caracterização – IFPA-

Campus Belém 46

Figura 4.1. Microestruturas reveladas das três (3) peças retiradas do virabrequim, tratadas

térmicamente 49

9

Figura 4.2. Microfotografia da Peça 1, obtida da Região 1, referente à peça tratada

termicamente 51

Figura 4.3. Microfotografia da peça não processada termicamente 51

Figura 4.4. Microfotografia da Região 3 da Peça 1 53

Figura 4.5. Difrações de raios X (DRX) da Região 3, Peça 1 53

Figura 4.6. Perfil de microdureza obtido para o virabrequim direito da motocicleta 55

10

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1 – composição química da liga de aço em estudo AISI 1045 36

Tabela 3.2– Tolerância dos componentes químicos da liga de aço em estudo 36

Tabela 3.3 – Descrições dimensionais referentes à Figura 2 37

Tabela 4.1 – Resultados experimentais obtidos da profundidade e dureza do tratamento

térmico superficial por indução eletromagnética – Peça 1 54





Tabela 4.4 – Consolidação dos valores obtidos e especificados de microdureza 56



Tabela 5.1 – Valores médios obtidos da profundidade e dureza do tratamento térmico

superficial por indução eletromagnética entre as Peças 1, 2 3 59

11

LISTA DE SÍMBOLOS

Letras latinas

CL Calor específico na fase líquida [J/kg K]

CS Calor específico na fase sólida [J/kg K]

C0 Composição de soluto na liga [%]

C Constante que depende do tipo de liga -

DL Difusividade de soluto no líquido [m2/s]

dP Derivada da posição -

dt Derivada do tempo -

dT Derivada da temperatura -

GL Gradiente de temperatura frente à isoterma liquidus [ºC/mm ]

hi Coeficiente de transferência de calor na interface metal/molde

[W/m2 K]

k0 Coeficiente de partição de soluto [ % ]

KL Condutividade térmica no líquido [W/m K]

KS Condutividade térmica no sólido [W/m K]

L Calor latente de fusão do material [J/kg]

mL Inclinação da linha liquidus -

P Posição dos termopares [mm]

t Tempo de deslocamento da isoterma solidus [s]

TR Taxa de resfriamento [ºC/s]

TL Temperatura liquidus da liga [ºC]

TS Temperatura solidus da liga [ºC]

TV Temperatura de vazamento da liga [ºC]

VL Velocidade da isoterma liquidus [mm/s]

Letras Gregas

λc Espaçamento celular [µm]

λ1 Espaçamentos dendríticos primários [µm]

λ2 Espaçamentos dendríticos secundários [µm]

λ3 Espaçamentos dendríticos terciários [µm]

ε Fator de correção do modelo [ε < 1]

Γ Coeficiente de Gibbs-Thompson

ρL Densidade no liquido [kg/m3]

ρS Densidade no sólido [kg/m3]

∆T Diferença de temperatura [ºC]

12

SUMARIO

CAPÍTULO 1 – INTRODUÇAO 13

1.1. Objetivos 17

1.1.1 Principal 17

CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 18

2.1. Importância dos Tratamentos Térmicos 18

2.2. Diagrama Ferro Carbono (Fe-C) 20

2.3. Tipos de Tratamentos Térmicos 21

2.3.1 Recozimento e Normalização 25

2.3.2. Tratamentos Isotérmicos 26

2.3.3. Tratamentos Térmicos para Endurecimento 26

2.3.3.1 Têmpera e Revenimento 27

2.3.3.2. Têmpera superficial por indução eletromagnética 30

2.3.3.3. Têmpera superficial 32

CAPÍTULO 3 - MATERIAIS E MÉTODOS 36

3.1. Material utilizado e características dimensionais 36

3.2. Tratamento térmico por indução eletromagnética 38

3.3. Levantamento de dados, preparação e limpeza do material 40

3.4. Ensaios de dureza e microdureza 42

3.5. Ensaios de Difração de Raios-X (DRX) 46

CAPÍTULO 4 - ANÁLISES E RESULTADOS 47

4.1. Considerações iniciais 47

4.2. Têmpera e Revenimento à 10410C e 4810C, respectivamente 48

CAPÍTULO 5 – CONCLUSÃO 58

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 61

13

CAPÍTULO 1 – INTRODUÇAO

A demanda por componentesmais resistentes ao desgastee à corrosão tem

promovidoum interesse crescentepela engenharia de superfícies,que desenvolve processos

alternativosde melhoria nas propriedades tribológicase triboquímicas. A rota

tradicionalbuscava o desenvolvimento de novos açose novas ligas. Entretanto, o custo e o

tempoassociados a estes desenvolvimentos,tornam-se muitas vezes inviáveis. Atualmente, os

processos de eundurecimento superfircial apontam para novos parâmetros de desempenhoe

possibilidades de aplicação.O setor de fabricação de ferramentasé o usuário mais antigo e

tradicionaldos processos de modificação superficial,visto que ferramentas de

conformação,injeção ou corte, estão sujeitas adesgaste e corrosão intensos, dependendodo

processo e meio em que trabalham.Outros setores como o de componentesautomotivos (aços

carbono ou médialiga) ou o de biomateriais (aços inoxidáveise ligas especiais) ainda não se

firmaramcomo grandes consumidores daengenharia de superfície, mas se encontramem

intensa atividade de pesquisa.

Dentre os procesos de eudureciemento superficial emergem, como um dos principais,

os tratamentos térmicos, os quais visam modificar as principais propriedades físicas e

mecânicas dos materiais metálicos, sendo os aços, aqueles que melhor respondem a tais

processos. Assim, dependendo do tratamento, esses materiais sofrem transformações

estruturais importantes, com agregação de certas propriedades, as quais são estendidas,

normalmente, a distâncias importantes na massa do corpo considerado (RUDNEVet al., 1997;

RUDNEV, 2003; RUDNEV, 2004).

Na têmpera superficiala camada externa de um componente, feito de um aço

temperável, por exemplo, é austenitizada e imediatamente resfriada, e conseqüentemente

temperada. Através deste tratamento térmico consegue-se um efeito similar ao do tratamento

de cementação e têmpera, quando se compara a dureza, resistência ao desgaste e condições de

tensões residuais. Entretanto pode-se restringir o tratamento a áreas especificadas das peças,

as distorções são consideravelmente menores e é possível tratar peças de grande porte. Os

processos de têmpera superficial diferem em função das fontes de energía utilizadas. Os

processos mais usuais são a têmpera por indução e chama.

A utilização de um ou outro processo é função das propriedades que se deseja obter

na superfície. A forma geométrica das peças a serem tratadas, o curto tempo de tratamento, a

alta eficiência e a baixa energia consumida no processo, tornam o tratamento térmico por

indução eletromagnética particularmente interessante para o endurecimento superficial de

14

partes do virabrequim que estão em contato relativo e dinâmico com outros sobresselantes do

motor, responsáveis por trasmissão de potência e assim, movimentos para as rodas da

motocicleta. Nesse proceso, a região tratada sofre apenas um aquecimento à temperaturas

superiores à de transformação austenítica (A3 -diagrama Fe-C), seguido de um resfriamento

com velocidades superiores à velocidade crítica. O tratamento térmico por indução

eletromagnética é sem dúvida um dos mais efetivos processos de tratamento térmicos para

uma variedade de aplicações, incluindo têmpera total, têmpera superficial, revenimento, alívio

de tensões, recozimento, normalização e sinterização de metais pulverizados, entre outros.

Na têmpera por indução, a energia necessária é fornecida na forma elétrica. Um

conversor fornece corrente alternada de alta freqüência para uma bobina (indutor) que induz

uma corrente parasita na superfície da peça aquecendo-a rapidamente. A temperatura depende

da potência disponível e do tempo de aquecimento. A profundidade de austenitização é

basicamente determinada pela freqüência utilizada. A profundidade de têmpera atingível

depende basicamente de dois fatores da profundidade de aquecimento e da temperabilidade do

material. O primeiro é função da freqüência e da potência utilizadaso o seundo do material.

Fatores importantes também são o tempo de austenitização e a densidade de potência em

kW/cm2.

Com o aumento do preço dos combustíveis e a busca global pela redução na emissão

de CO2, criou se uma tendência ou necessidade na indústria de fabricação de motores, para os

desenvolverem mais leves, menores e ao mesmo tempo mais eficientes. Esta busca exige

muito das propriedades dos materiais bem como das características mecânicas dos

componentes dos motores, principalmente dos virabrequins.

Nesse contexto, destacamos o seguimento industrial de duas rodas, onde o motor é o

elemento central e mais importante para o funcionamento de uma motocicleta. Dos

componentes principais que constituem um motor de uma moto, destaca-se o virabrequim.

Entretanto, independentemente do tipo de motocicleta, o funcionamento prático do motor está

relacionado com a forma como todos os componentes interagem entre si e essa interação está

dividida em quatro etapas distintas: (1) os pistões movem-se de cima para baixo no bloco de

cilindros e são acionados por explosões de uma mistura ar-combustível que é inflamada por

uma faísca; (2) as válvulas abrem e fecham de modo a permitir a entrada da mistura ar-

combustível na câmara de combustão; (3) à medida que os pistões sobem e descem, giram

automaticamente sobre o virabrequim que transforma a energia dos pistões num movimento

rotativo e; (4) a força rotativa do virabrequim é expedida através da transmissão para a roda

15

traseira da moto, o que faz com que uma moto comece a circular. As Figuras 1.1 e 1.2

mostram esquemarivamente vistas explodudas do conjunto virabrequim de motocicleta.

Figura 1.1. Desenho esquemático do conjunto virabrequim de uma motocicleta, mostrando os elementos de máquinas individuais de transmissão de potência.

Fonte: http://www.imperioautopecas.com.br/manuais-e-catalogos.php

16

Figura 1.2. Desenho esquemático do conjunto motor de uma motocicleta, mostrando o virabrequim e demias elementos de máquinas complementares de transmissores de potência.

Fonte: http://www.imperioautopecas.com.br/manuais-e-catalogos.php

Tendo em vista, portanto, que a têmpera por indução é utilizada na têmpera de peças

com geometrias variadas e que o processo é muito preciso em impor aquecimento seletivo

sobre áreas bem específicas, além disto, o processo pode ser feito em alta velocidade,

produzindo pouca distorção, o que é parâmetro muito importante para equipamentos

transmissores de potências, como eixos de virabrequins de motocicletas, o qual é um dos

principais componentes do motor, o presente trabalho apresenta os seguintes objetivos

17

1.1. Objetivos

1.1.1 Principal

Visando avaliar a eficácia do tratamento térmico de têmpera por indução

eletromagnética aplicado na indústria de duas rodas, especificamente no virabrequim de uma

motocicleta, bem como, considerando a importância de caracterizar os microsconsttuintes

finais após o processamento térmico e suas influências na propriedade mecânica de

dureza,este trabalho tem como objetivo principal analisar a influênia dos parâmetros padrões

de tratamento térmico por tenpera por indução eletromagnética, na formação da

microestrutura e na evolução da dureza, aplicado na indústria de 2 (duas) rodas, em um

virabrequim direito de uma motocicleta de 125 cilindradas. O tratamento foi aplicado na

própria indústria de fabricação da motocicleta.Para o alcance dos objetivos propostos neste

trabalho, as seguintes metas foram estabelecidas:

1. Revisão atualizada da literatura no que diz respeito a importância e os principais

tipo de tramento térmico, com destaque ao tratamento de endurecimento

supeicial de têmpera por indução eletromagnética;

2. Aplicar (na indústria) o tratamento térmico por indução eletromagnética,

utilizando os padrões operacionais estabelecidos pelo fabricante do virabrequim;

3. Revelação microestrutural dos cospos-de-provas, tratados termicamente,

utilizando técnicas tradicionais de metalografia;

4. Caracterização experimental da microestrutura, através de microscopias óticas e

eletrônica de varredura, visando identificar os microconstituintes após

tratamento térmico por indução eletromagnética;

5. Exmaninar e determinar a profundidade da têmpera;

6. Determinar a dureza Rockell desde a região tratada até o núcleo da peça (região

do voirabrequim não submetido ao tratemento térmico) e comparar com padrões

de qualidade, estabelecidos pelo fabricante.

18

CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. Importância dos Tratamentos Térmicos

Há muitos séculos atrás o homem descobriu que comaquecimento e resfriamento

podia modificar as propriedadesmecânicas de um aço, isto é, torná-los mais duro, mais mole,

mais maleável, etc. Mais tarde, descobriu também que a rapidez com que o aço era resfriado e

a quantidade de carbono que possuía influíam decisivamente nessas modificações

(CHIAVERINI, 1985).

Callister (2008) define tratamento térmico (TT)como o conjunto de operações de

aquecimento e resfriamento a que são submetidas às ligas metálicas, sob condições

controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de resfriamento, com o objetivo de

alterar as suas propriedades ou conferir-lhes características determinadas. A Figura 1 sintetiza

de forma esquemática o conjunto dessas operações e os ciclos de TT. As propriedades das

ligas metálicas dependem, em princípio, de suamicroestrutura. Os tratamentos térmicos

modificam, em maior ou menor escala, a microestrutura das ligas, resultando, em

consequência, na alteração de suas propriedades.

Figura 2.1 – Representação esquemática dos ciclos de tratamento térmico: temperatura, permanência na temperatura e resfriamento.

Fonte: Autoria própria

19

Callister (2008) tem estabelecido os seguintes principais objetivos dos tratamentos

térmicos: remoção de tensões; aumento ou diminuição da dureza; aumento da resistência

mecânica; melhora de ductilidade; melhora da usinabilidade;melhora da resistência ao

desgaste;melhora das propriedades de corte; melhora da resistência à corrosão; melhora da

resistência ao calor e modificação das propriedades elétricas e magnéticas.

A simples enumeração dos objetivos acima evidencia claramente a importância e a

necessidade do tratamento térmico dos aços. Em geral, a melhora de uma ou mais

propriedades, mediante um determinado tratamento térmico, é conseguida com prejuízo de

outras. Por exemplo, o aumento daductibilidade provoca simultaneamente queda nos valores

da dureza e resistência à tração.

2.2.Diagrama Ferro Carbono (Fe-C)

Vales (2011) tem estabelecido que o diagrama de fase Fe-C é o alicerce sobre o qual

todo tratamento térmico de aço é baseado. A Figura 2.2 apresenta o diagrama em questão,

pelo qual se observa a composição das regiões de temperatura em que as várias fases em aço

estão presentes, assim como os limites de equilíbrio entre os campos de fases (KRAUSS,

1990).

No diagrama da Figura 2.1 se destacam duas regiões importantes que dividem as ligas

Fe-C em aços e ferro fundidos (fofo), materiais de extrema importância para a indústria

metalúrgica e mecânica, a primeira correspondente até 2%C, a segunda acima desse valor.

Desse diagrama, destaca-se:

• Campo ferrítico (fase α) – Campo correspondente à solução sólida de carbono no

ferro α.Nesse campo a estrutura atômica é cúbica de corpo centrado (CCC).

• Campo austenítico (fase γ) – Campo correspondente à solução sólida de carbono

no ferro γ. Nesse campo a estrutura atômica é cúbica de face centrada (CFC). Essa

fase tem solubilidade máxima de carbono de 2% à 1147°C.

• Cementita (Fe3C) – Microconstituinte composto de ferro e carbono. Esse

carboneto apresenta elevada dureza, estrutura atômica ortorrômbica e 6,67% de

carbono.

• Ponto eutetóide – Ponto correspondente à composição de carbono de 0,8%. Ligas

dessa composição, elevadas até o campo austenítico (fase γ) e em seguida

resfriadas lentamente, atravessam a reação eutetóide, reação onde a austenita

20

transforma-se em perlita, microestrutura constituída de lamelas de cementita

(Fe3C) envoltas em uma matriz ferrítica (fase α).

• Ponto eutético – Ponto correspondente à composição de carbono de 4,3%. Trata-se

do ponto de mais baixa temperatura de fusão ou solidificação, 1147°C. Ligas

dessa composição são denominadas ligas eutéticas

Figura 2.2. Diagrama Ferro-Carbono (Fe-C). L – Líquido e A3 e ACM são linhas que representam início e final de transformações de fases no estado sólido, durante o resfriamento

e aquecimento, respectivamente.

Fonte: www.cimm.com.br

Nos aços, destaca-se uma região denominada no campo austenístico, onde a

microestrutura é composta de austenita, apresentando uma estrutura cristalina CFC (Cúbica de

21

Face Centrada). Esta microestrutura, uma vez resfriada, pode se transformar em outras, que

dependendo da velocidade de resfriamento poderá produzir uma gama de propriedades. Nesse

sentido, a condição inicial da austenita determinao desenvolvimento da microestrutura final e,

conseqüentemente, das propriedades mecânicas finais do aço. Assim, o comportamento e as

propriedades mecânicas dos aços dependem, não somente da natureza da decomposição da

austenita no resfriamento contínuo (a fase final do aço), mas também da cinética de

reaustenitização, ou seja, se a fase austenítica é homogênea ou heterogênea, e, ainda, de seu

tamanho de grão, da taxa de aquecimento, da presença de inclusões não metálicas e da

distribuição das fases (CABALLERO, 2001; JACOTet al, 1998; JACOT e RAPPAZ, 1999,

AKBAY e ATKINSON, 1996). A Figura 2.3 apresenta um esquema de resfriamento da

austenita e os possíveis microconstituintes em função da velocidade de resfriamento.

Figura 2.3. Transformações de fases a partir da austenita.

Fonte: http://www.joinville.udesc.br/portal/professores/daniela/materiais/Aula_9tratamento_termico.pdf

2.3. Tipos de Tratamentos Térmicos

Os fatores que determinam os tipos de tratamentos térmicos são: temperatura, taxas

deaquecimento e resfriamento, tempo de permanência em uma determinada temperatura

(Figura 2.1). A escolhaadequada desses elementos está diretamente relacionada com a

22

estrutura das ligas.Os tratamentos térmicos usuais dos aços são: recozimento, normalização,

têmpera, revenido, colascimento e os tratamentos isotérmicos. A Figura 2.4 sintetiza de

forma esquemática esses tratamentos térmicos, correlacionando-os às respectivas curvas TTT

(Tempo-Temperatura-Transformação) para resfriamento contínuo.

Figura 2.4. Síntese esquemática dos principais tratamentos térmicos, mostrando as curvas de resfriamento contínuo correspondentes.

Fonte:http://www.joinville.udesc.br/portal/professores/daniela/materiais/Aula_9tratamento_termico.pdf

Segundo Prado et al (1990) algumas formas de tratamentos térmicos, que podem

serrealizados nos aços, são apresentadas e explicadas por meio de curvas de resfriamento

contínuo - CCT e isotérmicas- TTT (tempo-temperatura-transformação). Ambas destacam-se

pelas suas importâncias peculiares, a primeira pela sua relevância científica e a última em

função da sua relevante aplicação industrial, o que despertou interesse no mundo acadêmico,

resultando na elaboração de curvas CCT e TTT para diversos tipos de aços (CESARIN,

1996). Conforme destaca Cesarin (1996), esses diagramas não identificam os produtos das

23

transformações, embora estejam implícitos que sob condições apropriadas formam-se: perlita,

bainita (superior e inferior), ferrita e martensita, observadas por técnicas tradicionais de

metalografia. A Figura 2.5 apresenta esquematicamente o diagrama TTT.

Figura 2.5. Esquema do diagrama TTT para resfriamento isotérmico: A – austenita; F – ferrita; M – martensita (subscritos i e f significam inicio e final de transformação,

respectivamente).

Fonte: http://www.pmt.usp.br/pmt2402/TRATAMENTO%20T%C3%89RMICO%20DE%20A%C3%87OS.pdf

Através da Figura 2.5 é possível observar que quando uma curva de resfriamento cruza

a curva TTT a transformação ocorre na região assinala por um serrilhado. A caracterização da

estrutura é feita analisando a região da curva em que ocorreu a transformação. Técnicas

descritas na literatura são empregadas para determinar as curva TTT para um aço específico

(THORNTON, 1977; CHUet al., 1993; PRADOet al., 1990,HULTMAN et al., 2001). No

entanto, quando os aços são submetidos a tratamentos térmicos, as transformações que mais

interessam são as queocorrem quando a temperatura decresce continuamente, ou seja,

transformações emresfriamento contínuo (CCT). O diagrama CCT (Figura 2.6) sofre

pequenas modificações em relação às curvas isotérmicas. Uma das alterações é o

deslocamento para direita e para baixo, das partessuperiores das curvas de início e de fim de

transformação.

Figura 2.6. Diagrama CCT representativo para diversos resfriamentos.

Fonte:https://wiki.ifsc.edu.br/mediawiki/images/a/a1/Aru_suzy_a

Alguns autores (MARDER

1994; REED-HILL, 1982; RESTREPO

Figura 2.6, observaram que:

• um aço resfriado muito lentamente

A, começa a sua transformação no ponto

constituído de perlita, de granulação grosseira de baixa dureza;

• aumentando um pouco a velocidade de extração de calor, por exe

ar, como indicado pela curva B, obtêm

elevada;

• resfriando o aço em óleo, ou seja, aumentando ainda mais a velocidade de extração

de calor, como mostrado pela curva C, o constituinte resultante será pe

mais fina, com dureza mais elevada que a anterior;

• com resfriamento mais rápido, representado pela curva D, o início de

transformação se dá no ponto D

curva de esfriamento, intercepte a curva de

transformação em perlita apenas inicia, interrompendo

o ponto Dmi, a austenita que não se transformou passa a martensita, cujaa formação


https://wiki.ifsc.edu.br/mediawiki/images/a/a1/Aru_suzy_apostila_tecnologia_dos_materiais.pdf

MARDER e GOLDSTEIN, 1984; MORGAN, 1999;

ESTREPO, 2001) ao analisarem o diagrama representado pela

um aço resfriado muito lentamente, no forno por exemplo, representado pela curva

A, começa a sua transformação no ponto Ai, e ao atingir o ponto A

constituído de perlita, de granulação grosseira de baixa dureza;

aumentando um pouco a velocidade de extração de calor, por exemplo resfriado ao

ar, como indicado pela curva B, obtêm-se perlita mais fina, com dureza mais

resfriando o aço em óleo, ou seja, aumentando ainda mais a velocidade de extração

de calor, como mostrado pela curva C, o constituinte resultante será pe

mais fina, com dureza mais elevada que a anterior;

com resfriamento mais rápido, representado pela curva D, o início de

transformação se dá no ponto Di. A velocidade de esfriamento, não permite que a

curva de esfriamento, intercepte a curva de fim de transformação. Sendo que a

transformação em perlita apenas inicia, interrompendo-se em seguida, e ao atingir

, a austenita que não se transformou passa a martensita, cujaa formação

24


postila_tecnologia_dos_materiais.pdf

, 1999; NOVIKOV,

ao analisarem o diagrama representado pela

, representado pela curva

, e ao atingir o ponto Af é inteiramente

mplo resfriado ao

se perlita mais fina, com dureza mais

resfriando o aço em óleo, ou seja, aumentando ainda mais a velocidade de extração

de calor, como mostrado pela curva C, o constituinte resultante será perlita ainda

com resfriamento mais rápido, representado pela curva D, o início de

. A velocidade de esfriamento, não permite que a

fim de transformação. Sendo que a

se em seguida, e ao atingir

, a austenita que não se transformou passa a martensita, cujaa formação

25

termina em Dmf. A microestrutura final dessa velocidade de esfriamento é

simultaneamente perlita e martensita.

• resfriando em água, como indicado na curva F, trata-se de um resfriamento brusco

ou muito rápido. A curva de esfriamento não toca a curva de início transformação,

de modo que não há transformação da austenita em perlita. A transformação que

ocorre é unicamente martensítica, portanto os aços com esse constituinte

apresentarão maior dureza;

• a curva E, tangencia a curva C de transformação, para resfriamento contínuo,

indicando a velocidade crítica de esfriamento, que é a menor velocidade de

esfriamento que resultará unicamente em martensita.

Nesse sentido, os tratamentos térmicos (e consequentemente as velocidades de

esfriamento)devem ser escolhidos, de acordo com a microestrutura e propriedade que se

deseja. No resfriamento contínuo, não é possível obter bainita, uma vez que esse constituinte

éresultante somente de transformação isotérmica (Figura 2.5).

De acordo com a Figura 2.4 os tratamentos térmicos usuais dos aços são: recozimento,

normalização, têmpera, revenido e os tratamentos isotérmicos. Então vejamos:

2.3.1 Recozimento e Normalização

Os tratamentos térmicos de recozimento e normalização consistem elevar lentamente a

temperatura até 500C acima da linha de transformação A3 (Figura 2.1) para aços hipo-

eutetóide e resfriar lentamente no interior do forno e ao ar para o recozimento e normalização,

respectivamente, e 500C acima das linhas de transformações A1 e ACM para recozimento e

normalização de aços hiper-eutetóide, respectivamente, conforme os gráficos representativos

mostrados na Figura 2.7.

Vale destacar que a literatura (THORNTON, 1977; CHUet al., 1993; PRADOet al.,

1990,HULTMANet al., 2001; SUZIKIet al., 1985; KRAUSS, 1999; KHAN e ISLAM, 2007;

NORDIN e LARSON, 1999; FRANCO 2003) apresenta vários tipos de processamento

térmico de recozimento, o observado na Figura 2.7 é tradicionalmente conhecido como pleno

ou total. De maneira geral, o recozimento é realizado com o fim de alcançar um ou

váriosseguintes objetivos: remover tensões devidas ao tratamentos mecânico a frio ou

aquente, diminuir a dureza para melhorar a usinabilidade do aço, alterar aspropriedades

mecânicas como resistência, ductilidade, etc, modificar os característicoselétricos e

magnéticos, ajustar o tamanho de grão, regularizar a textura bruta, removergases, produzir

26

uma microestrutura definida, eliminar enfim os efeitos de quaisquertratamento térmicos ou

mecânicos a que o aço tiver sido anteriormente submetido.A normalização visa refinar a

granulação grosseira de peças de açofundido principalmente, aplicada, quase sempre, em

peças depois de laminadas ou forjadas. Ainda, é usadacomo tratamento preliminar à têmpera e

ao revenido, justamente para produzirestrutura mais uniforme do que a obtida por laminação.

Figura 2.7. Detalhes esquemáticos dos tratamentos térmicos de recozimento e normalização.


2.3.2. Tratamentos Isotérmicos

Os tratamentos isotérmicos consistem na austenitização, seguida de um resfriamento

rápido até uma determinada temperatura, onde a peça permanece até a transformação da

austenita se completar. Uma das aplicações do tratamento isotérmico é obtenção da bainita,

por exemplo,que é o constituinte formado quando uma austenita é resfriada rapidamente até

temperaturas na faixa de 200 a 540°C, e mantida nessa temperatura durante algum tempo. Os

principais tratamentos são: Austempera e Martêmpera. Do primeiro se obtem a bainita e do

segundo a martensita. Portanto, 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.

2.3.3. Tratamentos Térmicos para Endurecimento

Esses tratamentos visam aumentar a resistência mecânica dos aços. São feitos após a

peça ou produto ter passado por operações de conformação plástica, usinagem, normalização

27

ou alívio de tensões, é o caso do aço em estudo neste trabalho, utilizado na fabricação do

virabrequim que após forjamento, submeteu-se ao tratado térmico por indução

eletromagnética para endurecimento superficial.

2.3.3.1 Têmpera e Revenimento

Consiste no resfriamento rápido do aço de uma temperatura superior à sua temperatura

crítica, mais ou 50ºC acima da linha A3dos aços hipo-eutetóides, a mesma faixa utilizada para

o recozimento pleno, Figura 2.1, em um meiocomo óleo, água, salmoura ou mesmo ar.A

velocidade de resfriamento, nessascondições, dependerá do tipo de aço, da forma e das

dimensões das peças. Na têmpera o constituinte final desejado é a martensita, cujo objetivo

dessa operação é o aumentoda dureza até uma determinada profundidade da peça. Para tanto,

as peças devem ser resfriadas rapidamente, conforme velocidade de resfriamento

esquematizada na Figura 2.6 (ponto F), para evitar a formação de ferrita e perlita,

microconstituintes mais moles que a martensita. Resultam também da têmpera redução da

ductilidade (baixos valoresde alongamento e estricção), da tenacidade e o aparecimento de

apreciáveis tensõesinternas. Tais incovenientes são atenuados ou eliminados pelo

revenimento. A Figura 2.8 apresenta de forma esquemática os processos de aquecimento,

tempo de permanência e posterior resfriamento, assim como as mudanças de alotrópicas que

ocorrem durante a Têmpera.

A martensita é uma solução sólida supersaturada de carbono em ferro alfa (α – ferrita),

o que provoca uma distorção no reticulado CCC, transformando-o em tetragonal, gerando

discordâncias e tensões internas de grande intensidade (KRAUSS, 1990; LOVELESS et al

2000; LOVELESSet al, 2005(A); LOVELESS et al., 2005(B); MACEDO, 2007). Essa

distorção no retículo cristalino torna o movimento de discordância muito difícil e é

considerada como a maior responsável pelo aumento de resistência e dureza da martensita

(CHIAVERINI, 1985; CALLISTER, 2008, RUDNEVet al.,1997; RUDNEVet al.,

2003(A);2003; 2004; SAHAAet al., 2010; VENKATESHet al., 2009), consequentemente

deixando a peça mais frágil, reduzindo a ductitilidade e, portanto, a tenacidade. A tenacidade

e a ductilidade da peça temperada podem ser melhoradas e as tensões internas reduzidas pelo

processamento térmico de revenimento. A Figiura 2.9 mostra o esquema representativo do

revenimento após têmpera.

28

Figura 2.8. Esquema representativo das etapas durante a têmpera: CCC – Cúbica de Corpo Centrada; CFC - Cúbica de Face Centrada; TC – Tetragonal Centrada.


Figura 2.9. Esquema representativo do processo de tempera e revenimento, detalhando as curvas de resfriamento e a microestrutura final.

Fonte: Adaptado de http://pt.scribd.com/doc/176163882/Aula-9-Tratamento-Termico

29

O resultado do revenimento é uma combinação desejável de dureza, ductilidade,

tenacidade, resistência e estabilidade estrutural (DANDA, 2011; FERREIRA, 2004;

GOIJAERTS et al., 2001; GOIJAERTSet al., 2000; HATANAKAet al., 2003; HIBBELER,

2010; HILDITCH e HODGSON, 2005; HOFFMANN, 1998; KANGet al., 2012;

KLINGENBERG e SINGH, 2003). As propriedades resultantes desse tratamento dependem

do aço e da temperatura de aquecimento. O aquecimento leva a difusão do carbono (em

excesso naestrutura) e sua conseqüente precipitação em forma de carbonetode ferro. A saída

do excesso de carbono possibilita que aestrutura tetragonal torne-se cúbica, ou seja, torne-se

ferrítica.O aumento da temperatura leva assim ao crescimento das agulhas deferrita e a

coalescência dos precipitados.Logo, tem-se que o aumento da temperatura de revenimento

leva àredução da dureza e ao aumento da ductilidade. Nesse sentido, a perda de fragilidade,

sendo função das transformações estruturais que o aço sofre, vai ser em geral tanto mais

intensa quanto mais elevada a temperatura de revenido.Para temperaturas de revenido fixas,

ela será tanto maior quanto mais elevada a duração do revenido. Portanto, a temperatura

derevenimento deve ser aquela na qual são obtidas as propriedades desejadas. Adiante

veremos como podem relacionar-se os efeitos da temperatura e do tempo:

1ª etapa - entre 80 e 200°C. Nenhuma mudança estrutural ocorre embora a tenacidade

aumente. A martensita vai perder progressivamente a sua tetragonalidade por rejeição de parte

do carbono que contém em sobre-saturação. No final desta etapa, a martensita ficará com um

teor em carbono aproximado de 0,25 por cento.O carbono rejeitado vai difundir-se através da

martensita e formar carbonetos (ε - Fe2,4C e η - Fe2C) de transição com um teor em carbono

superior ao da cementita.

2ª etapa – entre 200 e 300°C. Essa etapa ocorre apenas quando há a presença de

austenita retida, especialmente em aços com teores elevados de C e elementos de liga onde o

teor de austenita retida é muito alto. Nessa etapa a austenita retida se transforma em bainita.

Essa bainita, na terceira etapa, sofre uma precipitação de carboneto de ferro transformando-se

ao final em cementita e ferrita.

3ª etapa – entre 300 e 600°C. O carboneto ε, formado na primeira, etapa transforma-se

em cementita. Aumentando a temperatura, forma-se um precipitado de cementita nos limites

das agulhas de martensita e em seu interior. Com o aumento de temperatura se redissolve a

cementita do interior das agulhas, engrossando a cementita, que envolve a martensita.

Aumentandomais ainda a temperatura essa cementita vai tornando-se decontínua nos limites

30

das agulhas de martensita, formando uma estrutura tradicionalemente conhecida de

martensita-revenida, conforme mostra a Figura 2.10.

Figura 2.10. Aspecto fotográfico de um aço temperado e revenido: (a)abaixo de 4000C – início de formação de pequenos glóbulo de cementita (750 x); (b) entre 400 e 6000C -

estrutura constituída de pequenas partículas de cementita, geralmente tendendo para a forma esferoidal em um fundo de ferrita (1000 x); (c) acima de 6000C e abaixo da temperatura eutetóide - a matriz recristaliza com aformação de novos grãos ferríticos e coalescimento

contínuo das partículas de cementita.

Fonte:http://disciplinas.stoa.usp.br/pluginfile.php/95368/mod_resource/content/1/Revenido_curto.pdf

2.3.3.2. Têmpera superficial

Quando o objetivo é criar apenas uma superfície dura, resistente à abrasão, é mais

conveniente optar pela têmpera superficial. Esse método, que substitui a têmpera normal,

estuda anteriormente, é aplicado principalmente em peças de máquinas. Nesse sentido, a

(a) (b)

(c)

31

Têmpera Superficial é vantajosa na construção de componentes mecânicos que requerem

combinação de tenacidade e dureza superficial, aplicados em situações de trabalho onde a

resistência ao impacto é fundamental. Como exemplo de aplicações pode-se citar: juntas

homocinéticas, eixos, engrenagens, virabrequins, eixos de comando de válvulas e outros. O

princípio do processo baseia-se no aquecimento rápido da superfície da peça através de

diferentes formas de geração de energia térmica até a temperatura de austenitização. No

processo mais simples, o aquecimento pode ser realizado através de chama oxiacetilênica e no

mais complexo e preciso, o aquecimento é realizado através de indução eletromagnética.

Segundo a literatura (PETERSet al.; 1989; ESTEVEN e BALAJIVA., 1959,;

HORNe RITCHIE, 1978; ZIA e KRAUSS, 1995; LESCANOet al., 1995; METERKOWSKI

e KRAUSS., 1979; TINGDONG e BUYUAN, 2004; THOMAS, 1978; SARIKAYAet al.,

1983) existem várias razões para que o endurecimento superficial seja escolhido, e não o

endurecimento total, são elas:

• Dificuldade de tratar peças de grandes dimensões em fornos convencionais;

• Possibilidade de endurecer apenas as áreas críticas, como dentes de engrenagens,

grandes cilindros, virabrequins, etc;

• Possibilidade de melhorar a precisão dimensional de peças planas, grandes ou

delgadas;

• Possibilidade de utilizar aços mais econômicos, como aço carbono;

• Diminuição dos riscos de aparecimento de fissuras originadas no resfriamento,

após o aquecimento.

Com a opção pela têmpera superficial é possível obter superfícies de alta dureza e

resistência do desgaste, boa resistência à fadiga por dobramento, boa capacidade para resistir

cargas de contato e resistência satisfatória ao empenamento (LESLIE, 1991).

No caso do processo por Indução, o mesmo é indicado em aços médio-carbono e

ferros fundidos, a dureza da superfície varia de 50 a 60 HRC. A camada temperada varia de

0,7 a 6 mm, podendo ocorrer pequenas distorções por causa das transformações de fase. Esse

tratamento térmico superficial consiste no aquecimento localizado utilizando espiras de cobre

onde passa uma corrente com alta freqüência. O resfriamento é feito com água ou outro meio

(salmoura ou óleo). A seguir um estudo detalhado do tratamento térmico por indução

eletromagnética.

32

2.3.3.3. Têmpera superficial por indução eletromagnética

O tratamento térmico por indução eletromagnética de materiais é utilizado em campos

diversos da engenharia, e vem sendo aplicado fortemente na indústria automotiva,

principalmente quando se deseja obter alteração das propriedades superficiais de peças

metálicas e equipamentos. É sem dúvida um dos mais efetivos processos de tratamento

térmico para diversas aplicações, incluindo: têmpera total, têmpera superficial, revenido,

alívio de tensões, recozimento, normalização, sinterização de metais pulverizados e outros

(FERREIRA, 2004; RUDNEVet al., 1997; DANDA, 2011; MACEDO, 2007; NITKIEWIEZ

e JEZIORSKI, 1991; VENKATESHet al., 2009; SAHAAet al., 2010; KANG, et al., 2012).

A correlação entre tipos de produtos tratados, parâmetros de tratamento térmicos por

indução eletromagnética e as propriedades finais obtidas é que promoverá a compreensão

inicial dos fenômenos envolvidos e constitui uma importante investigação para a área de

tratamentos térmicos.

Na maioria das aplicações, o tratamento térmico por indução é usado somente em

partes selecionadas da peça. O processo é executado em tempo muito curto e com alta

eficiência, porque a energia é aplicada somente na parte onde o tratamento térmico é

requerido. Isto promove alta produtividade, poucas distorções na geometria da peça, permite o

uso de pequeno espaço físico para instalação de equipamentos e gera benefícios ambientaisal

(LOVELESS, et al, 2000).

No aquecimento por indução convencional, segundo Lovelesset al (LOVELESS, et al,

2000, 2005(A), 2005(B)), todas as três maneiras de transferência de calor (condução,

convecção e radiação) estão presentes, sendo que as transferências de calor por convecção e

radiação refletem os valores de perda de calor. Um alto valor de perda de calor reduz a

eficiência da bobina de indução.

Um equipamento de aquecimento por indução consiste basicamente de uma fonte de

potência, de uma estação de trabalho, de uma bobina, controles e suportes para peças.

Adicionalmente poderemos ter equipamentos para resfriamento de peças. A Figura 2.11 exibe

um esquema simplificado do princípio da têmpera por indução. Observa-se pela mesma que

uma corrente elétrica alternada circulando através de um condutor produz sempre um campo

magnético à volta deste condutor. Se a corrente circula em um condutor em forma de

espiral e introduz-se um corpo metálico no campo magnético no interior do espiral,

este campo cria no metal uma força eletromotriz induzida que produz uma corrente

elétrica (correntes parasitas ou de Foucault), em sentido tal que produzam, por sua

33

vez, um campomagnético induzido que se opõe à variação do fluxo magnético da

bobina(LOVELESS, et al, 2000, 2005(A), 2005(B)).A essa corrente associa-se perdas por

efeito Joule (P=I2R ), que farão com que a energia injetada no sistema para criar campo

magnético será, em grande parte, transformadaem calor.

Figura 2.11. Esquema ilustrativo do processo de têmpera por indução.

Fonte: http://www.proterm.com.br/Rudnev et al., 2003

Devido a fenômenos eletromagnéticos, a distribuição de corrente dentro do indutor e

da peça é não uniforme. Esta não uniformidade da fonte de calor resulta em um perfil de

temperatura não uniforme na peça. Uma distribuição de corrente não uniforme pode

sercausada por fenômenos eletromagnéticos complexos, incluindo: efeito superficial, efeito de

proximidade e efeito de anel. Estes efeitos têm um importante papel na compreensão

dofenômeno aquecimento por indução.

No caso do efeito superficial Rudnev et al.,(2003) afirma queaproximadamente 86% da

corrente concentra-se na camada superficial do condutor, em uma região chamada de

camada de referência ou depenetração, de profundidade. Em corrente alternada, o grau do

efeito superficial depende da frequência da corrente alternada e de propriedades do

material aquecido, como resistividadeelétrica e permeabilidade magnética relativa. O efeito

superficial pode ser descrito por uma equação diferencial, cuja soluçãodemonstra que a

corrente induzida em uma superfície plana reduz exponencialmente emdireção ao centro

da peça. Loveless, et al, (1995; 2000) define que a profundidade depenetração de corrente em

34

determinada peça emtratamento é dada pelo limite no qual a densidade de corrente alcança

37% do valor obtidona superfície, conforme pode ser calculado pela Equação 2.1.

� � � ��µ�

��

(2.1)

onde, d é a profundidade de penetração, ρ a resistividade elétrica da peça, π a permeabilidade

magnética no vácuo, µ0 a permeabilidade magnética da peça e f a freqüência do campo

magnético alternado da bobina.

Para os aços, pode-se considerar que, acima do ponto Curie [nesta temperatura os

materiais perdem suas propriedades ferromagnéticas e foi descoberta por Pierre Curie (1859-

1906 quando efetuava estudos sobre o estado cristalino], a profundidade (d) depenetração da

corrente, em mm, é aproximadamente (MACEDO, 2007):

� � �� (2.2)

onde f é a freqüência da corrente em Hertz.

Na camada com essa espessura, dispende-se aproximadamente 87% de todaenergia

calorífica. Observa-se, portanto, pela Equação 2.2 que a profundidade de penetração da

corrente,d, diminuicom a elevação de sua freqüência.

Trabalhos sobre temperatura superficial por indução eletromagnética são escassos na

literatura. Não existem trabalhos a respeito para virabrequim. No entanto, tratamento térmico

por indução eletromagnética de tubos de aço SAE 1045 com 7 cm de diâmetro externo e 0,5

cm de espessura, com austenitização a uma temperatura máxima de 991°C por 12s e

revenimento a uma temperatura máxima de 504°C por 18s, foram desenvolvidos por Ferreira

et al., (2004), esses autores observaram que aestrutura correspondea regiões de martensita e

martensitarevenida, porém, ainda apresentando regiõesque correspondem aos grãos deferrita

que não se transformaram em austenitano aquecimento, revelando quenão houve

homogeneização do teor decarbono e a transformação em austenitanão se completou, durante

o curto períodode austenitização. Mesmo assim, concluíram que as estruturas obitidas foram

capazes de produzir materiais com propriedades mecânicas adequadas à confecção de hastes

de sondagem para prospecção geológica. Da mesma forma, Macedo (2007), estudando

amostras tubulares de aço SAE 4130 temperadas e revenidas por indução eletromagnética,

austenizadas a 10000C durante 15s, 25s e 35s, concluiu em seu trabalho que essas amostras

apresentaram as melhores propriedades mecânicas para a produção de ferramentas e peças,

que são submetidas a grandes esforços.

35

Recentemente, um trabalho bastante interessante foi desenvolvido por Danda (2011)

que analisou o efeito do tratamento térmico por indução eletromagnética em aços forjados de

alto de teor de carbono. O resultado mostra que o valor de dureza do material antes de

forjamento era de 32 HRC, aumentando para 34 HRC ao longo de sua seção transversal após

forjamento, reduzindo novamente para 32 HRC após recozimento. E após o tratamento por

indução eletromagnética a dureza na superfície aumentoupara 57 HRC, reduzindo-se

gradualmente para 32 HRC no núcleo.

Devido o grande interesse que o tema desperta no mundo acadêmico, modelagem

matemáticae computacional (PALANIRADJAet al., 2010;YUANet al., 2003) sobre o tema

também são apresentadas na literatura. Yuan et al., (2003), por exemplo, desenvolveram um

sistema e um modelo matemático capazes de prever a distribuição da temperatura em regime

transiente, gerando curvas de aquecimento ou arrefecimento, estimam a fração de volume de

diferentes fases metálicas formadas no processo de arrefecimento, baseando-se sobre a

cinética de transformação de fase, e fornecem um aquecimento desejado e o padrão de

endurecimento com base no design de corrente da bobina e distribuição de densidades,

sugerem, ainda, a utilização de concentrador magnético em situações práticas para o projeto

de bobina de indução.

36

CAPÍTULO 3 - MATERIAIS E MÉTODOS

O trabalho consistiu na aplicação do tratamento térmico superficial de têmpera por

indução eleromagnética progressiva de alta frequência em três (3) virabrequins (iguais) direito

de motocicleta, fabricado por forjamento, a partir de lingotes em forma de barras de aço AISI

1045, laminados à quente,desgaseificado, composto de grão austenítico, controlado e

fabricado através do método de fundição contínua.

3.1. Material utilizado e características dimensionais

A composição química do material em estudo e os correspondentes limites de

tolerâncias podem ser observados nas Tabelas 3.1 e 3.2, respectivamente.

Tabela 3.1 – composição química da liga de aço em estudo AISI 1045.

C Si Mn P S Cu Ni Cr

0,45-

0,51

0,15-

0,30

0,60-

0,90

0,030-

MAX.

0,015-

0,030

0,30-

MAX.

0,25-

MAX.

0,10-

0,20

Tabela 3.2– Tolerância dos componentes químicos da liga de aço em estudo.

Tolerância C Si Mn P Cr

Limite superior 0,20 0,05 0,05 0,005 0,05

Limite inferior 0,20 0,05 0,05 **** 0,05

A Figura 3.1 mostra uma vista esquemática do virabrequim com detalhes das

características dimensionais para aplicação do tratamento térmico superficial de têmpera por

indução magnética aplicado neste trabalho.

37

Figura 3.1. Desenho esquemático do virabrequim, mostrando as características dimensionais da camada endurecida após têmpera.

Fonte: Fornecida pelo fabricante da motocicleta

A Tabela 3.3 mostra as descrições dimensionais do virabrequim após aplicação do

tratamento térmico, conforme estabelecido pelo desenho do projeto enviado pelo fabricante da

motocicleta (Figura 3.1).

Tabela 3.3 - Descrições dimensionais referentes à Figura 3.2.

Item Descrição Dimensão

A Profundidade da têmpera

(mm)

0,7 a 3,1 mm

B Altura onde fica a têmpera

(mm)

2,9 a 4,4 mm

C Dureza da têmpera (HRC) 45 a 60

D Dureza do núcleo (HRC) 17 a 25

38

Foi utilizado um equipamento de indução eletromagnética, fabricado pela empresa

Inductotherm Group Brasil, com ajustes e adaptação de projeto realizados pelos técnicos da

Inductotherm com acompanhamento e validação dos Engenheiros do fabricante da

Motocicleta.

3.2. Tratamento térmico por indução eletromagnética

Para elaboração deste trabalho, três (3) virabrequins foram submetidos ao mesmo

tratamento térmico por indução eletromagnética. O tratamento de aquecimento por indução

foi executado em dois estágios do tratamento térmico de têmpera por indução magnética. O

primeiro estágio descreve o processo superficial de têmpera e o segundo estágio o processo de

revenimento para alívio de tensões gerado pela têmpera. As faixas de potência e tempo

utilizados foram de 73 kW à 85 kW por 2s à 4s contínuos, para austenitização, e de 39kW à

42 kW, por 2s pulsados, para revenimento. Foi feita, a seguir, a correlação entre tratamento

térmico, microestrutura e dureza da região tratada termicamente. As temperaturas de

austenitização e revenimento foram 10480C e 4800C, respectivamente. Atemperatura do

fluído para resfriamento após o aquecimento de austenização foi controlada entre 25°C a

35°C, com pressão da ducha entre 0,5 kgf/cm² à 1,0 kgf/cm² e vazão entre 75 LPM à 85LPM

(litros por minutos). No revenimento o resfriamento foi realizado ao ar livre (temperatura

ambiente).

As Figuras 3.2 e 3.3 apresentam, respectivamente, o esquema de detalhamento de todo

processo e o registro fotográfico do equipamento de têmpera utilizado do tipo indutor,

mostrando dois (2) dos 3 (três) virabrequins sendo temperados.

O calor para aquecer a região da peça é gerado na própria peça através da indução

eletromagnética. Uma corrente alternada flui através de um indutor ou bobina de trabalho,

estabelece-se nesta um campo magnético altamente concentrado, o qual induz um potencial

elétrico na peça a ser aquecida e envolvida pela bobina, como a peça representa um circuito

fechado, a voltagem induzida provoca o fluxo de corrente. A resistência da peça ao fluxo da

corrente induzida gera um aquecimento por efeito joule.

39

Figura 3.2. Esquemático detalhando os 2 estágios do processo: têmpera e revenimento.

Fonte: Fornecido pelo fabricante da motocicleta.

O processo é executado em tempo muito curto e com alta eficiência, porque a energia

é aplicada somente na parte onde o tratamento térmico é requerido. Isto promove alta

produtividade, poucas distorções na geometria da peça, permite o uso de pequeno espaço

físico para instalação de equipamentos e gera benefícios ambientais. Em resumo, o controle

da profundidade de aquecimento é conseguido, manipulando-se as seguintes variáveis: Forma

de bobina, distância ou espaço entre a bobina de indução e a peça, potência elétrica fornecida

ao processo, frequência, tempo de aquecimento.

40

Figura 3.3. Dispositivo utilizado no processo de têmpera tipo: Indutor Reto com Furo Ø

34mm (Mod. Fab. KRM "R" - Base: Ø30,3 Haste), indicando o virabrequim sendo processado termicamente.


O meio de resfriamento para têmpera foi feito em água deionizada com controle de

temperatura do fluido de resfriamento entre 25°C a 35°C e vazão da ducha de resfriamento do

processo térmico entre 75 a 85 LPM (litros por minutos). Todo o processo de controle é

automatizado.

3.3. Levantamento de dados, preparação e limpeza do material.

Depois de concluído o tratamento térmico, iniciou-se os procedimentos para

levantamento dos dados dimensionais. Os passos a seguir foram realizados para os 3 (três)

virabrequins que foram submetidos ao tratamento térmico por indução eletromagnética.

Primeiro passo, uma operação de preparo da peça foi exigida, através de uma limpeza

com jato de ar comprimido para retirada do excesso de sujeira, lixamento da superfície

tratada, sabão para remoção de uma crosta escura que se formou na superfície da peça e

aplicação de ácido Nital 10%, cuja função do mesmo foi para destacar a área tratada

termicamente do restante do material, para possibilitar a visualização de onde inicia o

41

tratamento térmico na peça e o comprimento da camada temperada, verificando se está

conforme especificado no projeto.

Com a superfície do virabrequim limpa, foi medido com uma régua graduada o

comprimento da camada temperada na superfície, dimensão longitudinal e perpendicular

indicadas pelos itens A e C da Figura 3.1. Os registros fotográficos da Figura 3.4 detalham a

operação de limpeza realizada nos virabrequins, submetidos ao tratamento térmico por

indução eletromagnética (fotografias 1 a 10) e de medição dimensional da superfície tratada

termicamente (fotografias de 11 a 13).

Figura 3.4. Registro das etapas de limpeza e medição dimensional da superfície da peça tratada termicamente.


1 2 3 4

5 6 7

9 10

8

11 12

13 14

42

3.4. Ensaios de dureza e microdureza

As propriedades mecânicas dos materiais são usualmente determinadas por ensaios de

dureza, resistência à tração, ductilidade, etc. Nesse sentido, visando avaliar a eficácia do

tratamento térmico, neste trabalho foram realizados ensaios de dureza e microdureza

nacamada superficial temperada.

Figura 3.5. Ilustração fotográfica no momento de ajuste da peça no durômetro e da medição da dureza.


A metodologia utilizada para obtermos esta variável quantificada em HRC (Dureza

Rockell C) e HV (microdureza), teve como premissa básica medir a dureza diretamente nos

virabrequins para HRC e preparação de corpo de provas para HV. Um durômetro do tipo

universal foi utilizado para realização de dureza. Para tanto, uma operação preliminar de

ajuste e controle da peça e do durômetro foi realizada, conforme esquematiza a Figura 3.5. A

carga utilizada foi de 150 kgf/cm² e 5 medições nas superfícies tratadas de cada virabrequim

43

foram obtidas, sendo a média considerada como resultado final. A metodologia utilizada segiu

recomendações do fabricante.

Próximo passo foi medir a espessura da camada superficial endurecida proveniente do

tratamento térmico de têmpera ao longo do comprimento do diâmetro de 30,3 mm, indicado

na Figura 3.6, cuja figura apresenta detalhes dimensionais dos virabrequins direito da

motocicleta após o processo térmico. Essa fase foi realizada de forma destrutiva, isto é, um

corpo de prova (CP) foi retirado (indicação da Figura 3.6) de cada virabrequim para medição

do comprimento e, principalmente, da profundidade (espessura) da camada temperada. Nessa

etapa, foi utilizada uma cortadeira de precisão do tipo “cut-off”. A Figura 3.7 apresenta uma

fotografia, mostrando o CP retirado do virabrequim e a técnica de medição da espessura da

região processada termicamente.

Figura 3.6. Características dimensionais do virabrequim direito após tratamento térmico.


Local de retirada do

corpo-de-prova

44

Figura 3.7. Corpo-de-prova retirado do virabrequim: (a) medição de espessura tratada termicamente e (b) indicação da espessura.


Em seguida o corpo de prova foi embutido e preparado para realização do ensaio de

microdureza (HV). Nesse ensaio foi utilizada uma carga de 1000 g, aplicada com tempo de 10

segundos. O equipamento utilizado foi um microdurômetro modelo Shimadzu HMV, com

uma interface assistida por computador. O perfil de microdureza (HV) nas direções

longitudinal e transversal da camada temperada, conforme esquematizado na Figura 3.8, foi

levantado. Visando uma maior abrangência do perfil de microdureza, foram realizadas

medições, conforme esquema representativo mostrado na Figura 3.8, isto é, seguindo a

direção 1 em posições variando em 0,3mm até a região imediatamente após a profundidade

estabelecida à têmpera. Para cada posição, foram realizadas 20 medições na direção 2,

conforme metodologia recomendada pelo fabricante da motocicleta.

Figura 3.8. Esquema representativo para obtenção do perfil de microdureza (HV).


ESPESSURA

Corpo-de-Prova

45

Finalmente, foi realizado o procedimento experimental para preparação do CP afim de

revelação da microestrutura nas regiões compreendidas pelo núcleo e daquela representativa

da camada tratada termicamente.

Técnicas tradicionais de metalografia foram aplicadas, as quais comprrendem corte

embutimento, lixamento, polimento, preparação e ataque do ragente químico. Toda essa fase

foi realizada no Laboratório de Caracterização de Materiais do Curso de Engenharia de

Materiais do Instituto Federal do Pará-Campus Belém (IFPA-Campus Belém). Em suma, a

amostra foi lixada sequencialmente por lixas de granulometria 100, 220, 320, 400, 600 e 1500

mesh em lixadeiras rotativas. Na troca de lixa, o sentido de lixamento foi rotacionado em 90º

em relação aos riscos deixados pela lixa anterior. Com a amostra lixada e limpa, a mesma foi

polida com abrasivo (pasta de diamante) e pano para polimento de 1 µm. O polimento

também foi realizado com o auxílio de politrizes rotativas, tornando assim a superfície a ser

analisada pronta para o ataque químico. A revelação das microestruturas ocorreu mediante

imersão das amostras em uma solução aquosa de 5% de Nital por um tempo 30 segundos. A

Figura 3.9 mostra as regiões reveladas do CP para análise da microestrutura.

Figura 3.9. Esquema representativo mostrando o corpo de prova embutido e as áreas do para revelação microestrutural: Regiões: 3 – interna ou núcleo; 2 – transição; 1 – Tratada

termicamente. Fonte: Autoria própria

12 3 3 2 1

46

Em seguida, foram realizadas análises microscópicas para caracterização e revelação

das microestruturas, com auxílio do sistema de processamento de imagens Olympus, modelo

UC30, acoplado ao software de captura de imagem Analise Sys, mostrado na Figura 3.10.

Figura 3.10. Microscópio óptico Olimpus UC30, Laboratório de Caracterização – IFPA- Campus Belém.


3.5. Ensaios de Difração de Raios-X (DRX)

Foi utilizada uma das três amostras para o ensaio de DRX. A análise teve como

premissa básica em determinar as fases presentes nas microestruturas obtidas, após o

tratamento térmico por indução eletromagnética. Os espectros foram obtidos através de um

Difratômetro Shimadzu XRD-7000 (Departamento de Engenharia de Materiais do Instituto

Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará) e anodo de cobre (λ=1,5406 Å) em um

intervalo de 5º a 90º 2Ө. Para a identificação das fases utilizou-se o programa X'Pert

HighScore da PANalytical e a base de dados PDF2 do ICDD.

47

CAPÍTULO 4 - ANÁLISES E RESULTADOS

4.1. Considerações iniciais

O revenido pós-têmpera tem como premissa básica otimizar o par de propriedades

“dureza” e “resistência ao choque”, com vista a determinada aplicação, propriedades essas

exigidas para componentes transmissores de potência, como o virabrequins de motocicletas.

O revenimento a baixa temperatura (cerca de 2000C) produzjá uma subida moderada

da resistência ao choque do aço, em relação ao estado bruto da têmpera (VENKATESHet al.,

2009). O valor da resistência ao choque é por vezes suficiente para algumas aplicações em

que se exige uma elevada resistência à tração e à fadiga em aços de médio carbono (0,4 a

0,5% %p) ou em peças sujeitas basicamente a esforços compressivos. Nesta temperatura já se

verifica a perda da tetragonalidade da martensita (RUDNEVet al.,1997; VENKATESHet al.,

2009).

O revenimentoentre os 200 e 300°C observa-se que a austenite residual presente no

aço se decompõe em bainita e carbonetos. A natureza desses carbonetos não se econtra

consolidado na literatura, havendo alguns autores que os identificam com a cementita e outros

com o carboneto ε (RUDNEVet al.,1997; KRAUSS, 1990; LOVELESSet al., 2000).A dureza

diminui durante o revenido nesta gama de temperaturas, porém a manifestação mais evidente

de ocorrência de transformação da austenita residual é o aumento de volume específico do

aço,lembrando que a austenita é o constituinte mais compacto das ligas Fe-C.

Entre os 300 e os 500°C, para alguns autores o fenômeno iniciar-se-ia a cerca de 200C

(RUDNEVet al.,1997; RUDNEV 2003(A); 2003; 2004; SAHAAet al., 2010;

VENKATESHet al., 2009) os carbonetos de transição transformam-se em cementita e a

martensitea de baixo carbono originará uma matriz ferrítica, com a simultânea rejeição do

cabono em excesso.

Portanto, de maneira geral, o tratamento térmico de revenimento permite, através de

processos de difusão, a formação da martensita-revenida, ou seja, a martensita tetragonal de

coropo centrado (TCC) monofásica se transforma em ferrita (α) mais cementita (Fe3C). Assim

sendo, a microestrutura da martensita revenida consiste em partículas de cementita

48

extremamente pequenas e uniformemente distribuídas, com predominância da fase α.

Vejamos os resultados apresentados no presente trabalho:

4.2. Têmpera e Revenimento à 10480C e 4800C, respectivamente.

A Figura 4.1 apresenta, para os três virabrequins, as microestruturas obtidas após a

têmpera superficial por indução eletromagnética, aplicada neste trabalho. As Regiões 1, 2 e 3

representam, respectivamente: o metal de base (MB) ou região que não sofreu tratamento

térmico; a região de transição entre MB e aquela que foi tratada termicamente e, finalmente; a

região que se submeteu ao tratamento térmico por têmpera por indução, respectivamente.

Observa-se na Região 1, indicada por setas nas três (3) amostras analisadas, uma

estrutura reticular composta de ferrita primária pró-eutetóide em rede nos contornos de grãos

de perlita fina (toostita) com dureza em torno de 20 HRC. A microestrutura presente nesta

região (Região 1), mostra que a mesma foi afetada pelo processamento térmico, aquecimento

e posterior resfriamento, sem, portanto, ter afetado a dureza.

As Figuras 4.2 e 4.3, representam, respectivamente, as microfotografias do MB da

Peça 1, submetida ao tratamento térmico por indução eletromagnética, e da peça em estado

não tratado termicamente (matéria prima – MP). Observa-se, portanto, pela Figura 4.2, a

influência do tratamento térmico na formação da microestrutura. As regiões escuras da Figura

4.3 correspondem ao composto perlita e as regiões claras correspondem a uma fase primária

ferrita (FP), provavelmente formadas por processamento térmico com reações por difusão,

devido a resfriamentos lentos.

Fig

ura

4.1.

Mic

roes

trut

uras

rev

elad

as d

as tr

ês (

3) p

eças

ret

irad

as d

o vi

rabr

equi

m, t

rata

das

term

icam

ente

sofr

eu o

trat

amen

to té

rmic

o; R

egiã

o 2

- tr

ansi

ção

entr

e o

MB

e a

reg

ião

trat

ada

term

icam

ente

; Reg

ião

3 in

duçã

o el

etro

mag

néti

ca. (

FP

– fe

rrit

a pr

imár

ia; F

PE

Peça

Região 3

1

MR/FERRITA/CR

reve

lada

s da

s tr

ês (

3) p

eças

ret

irad

as d

o vi

rabr

equi

m, t

rata

das

term

icam

ente

: Reg

ião

1 tr

ansi

ção

entr

e o

MB

e a

reg

ião

trat

ada

term

icam

ente

; Reg

ião

3 –

trat

ada

term

icam

ente

por

têm

pera

por

fe

rrit

a pr

imár

ia; F

PE

– f

erri

ta p

ro-e

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; FA

– f

erri

ta a

cicu

lar;

MR

– m

aten

sita

rev

enid

a; C

R

refi

nado

s)

Região2

FA

MR/FERRITA/CR

49

: Reg

ião

1 –

met

al d

e ba

se (

MB

) qu

e nã

o tr

atad

a te

rmic

amen

te p

or tê

mpe

ra p

or

mat

ensi

ta r

even

ida;

CR

– c

arbo

neto

s

Região 1

FP ou FPE

FP ou FPE

2

3

Fonte

: A

uto

ria p

rópri

a MR/FERRITA/CR

MR/FERRITA/CR

FP ou FPE

FP ou FPE

FA

FA

MR/FERRITA/CR

MR/FERRITA/CR

50

FP ou FPE

FP ou FPE

FA

FP ou FPE

FP ou FPE

FA

51

Figura 4.2. Microfotografia da Peça 1, obtida da Região 1, referente à peça tratada termicamente. Ferrita (FP – ferrita primária; FPE – ferrita pro-eutétoide; FA – ferrita acicular)


Figura 4.3. Microfotografia da peça não processada termicamente. FP- Ferrita primária; FPE – Ferrira pró-eutetóide.


FA FP ou FPE

FWD

FP ou FPE

Perlita

FA

FP ou FPE

52

A Região 2,observada na Figura 4.1, apresenta uma transição microestrutural a partir

do MB para o interior da região tratada termicamente, composta de carbonetos metaestáveis

em uma matriz predominantemente de ferrita refinada, provavelmente precipitados da

martensita durante o processo de revenimento, que se extende até o interior da Região 3,

resultando numa estrutura de elevada dureza, cerca de 54 HRC. A presença desses carbonetos

e de ferrita refinada sobressai-se, praticamente, em toda borda da região tratada, conforme

verificado na Região 3 da Figura 4.1.

Vale ressaltar que um aço no estado temperado é demasiadamente frágil e para poder

ser diretamente utilizável, essa fragilidade tem que ser diminuída por um tratamento de

revenimento (KRAUSS, 1990; LOVELESSet al., 2000; LOVELESS et al., 2005(A);

LOVELESSet al., 2005; MACEDO, 2007).A Figura 4.4 apresenta de forma detalhada a

Região3 da peça que sofreu o tratamento de revenimento a 4200C após temperatura superficial

por indução eletromagnética.É uma região composta de uma microestrura conhecida como

martensita-revenida (RUDNEVet al.,1997; RUDNEV 2003(A); 2003; 2004; SAHAAet al.,

2010; VENKATESHet al., 2009). Nesta temperatura de revenimento, os carbonetos de

transição transformam-se em cementita e a martensita de baixo carbono em uma matriz

ferrítica, com a simultânea rejeição do cabono em excesso, geralmente acompanhada por uma

diminuição de volume específico, dado implicar que a matriz, antes martensita, perca

definitivamente a sua tetragonalidade, passando a ser constituída por ferrita, compondo uma

estrutura completamente predominantemente cubica de corpo centrado (CCC). Destaca-se,

ainda, que os revenidos a temperaturas entre os 400 a 600°C, são usados para se atingirem

valores elevados de resistência ao choque (KRAUSS, 1990; LOVELESS et al., 2000),

propriedade esta exigida para virabrequins utilizados em veículos automotores, o caso

estudado neste trabalho.

A Figura 4.5 apresenta o ensaio por Difratometria de R-X (DRX) realizado na Região

3 da Peça 1 (Figura 4.1), mostrando como resultado uma estrutura predominante cúbica de

corpo centrado, confirmando, portanto, a transformação alotrópica TCC para CCC após o

processo de revenimento.

53

Figura 4.4. Microfotografia da Região 3 da Peça 1 (Figura 2.1) que sofreu o tratamento de revenimento a 4210C após temperatura superficial por indução eletromagnética


Figura 4.5. Difrações de raios X (DRX) da Região 3, Peça 1 (Figs, 4.1 e 4.4).


CCC

Counts

Angle (2θθθθ)

54

A dureza HRC bem como a profundidade da superfície tratada termicamente foram

medidas de acordo com as metodologias apresentadas nas Figuras 3.5 e 3.6, respectivamente.

As Tabelas 4.1 a 4.3 apresentam os resultados obtidos para as três peças (virabrequins)

tratadas termicamente. Observa-se que os valores medidos se encontram entre os limites de

tolerâncias especificados (Tabela 3.3) para o processo, confirmando, portanto, a eficácia

operacional do tratamento térmico de têmpera superficial por indução eletromagnética

assumido neste trabalho.

Tabela 4.1 – Resultados experimentais obtidos da profundidade e dureza do tratamento térmico superficial por indução eletromagnética – Peça 1

Cota

(Figura 3.1) Descrição Especificado Encontrado


(mm) 0,7 a 3,1 1,5

C Dureza da têmpera (HRC) 45 a 60 54 D Dureza do núcleo (HRC) 17 a 25 20

Tabela 4.2 – Resultados experimentais obtidos da profundidade e dureza do tratamento térmico superficial por indução eletromagnética – Peça 2.

Cota

(Figura 3.1) Descrição Especificado Encontrado

A Profundidade da têmpera (mm)

0,7 a 3,1 1,2

C Dureza da têmpera (HRC) 45 a 60 54 D Dureza do núcleo (HRC) 17 a 25 22


térmico superficial por indução eletromagnética – Peça 3

Cota (Figura 3.1) Descrição Especificado Encontrado

A Profundidade da têmpera(mm) 0,7 a 3,1 1,5 C Dureza da têmpera (HRC) 45 a 60 58 D Dureza do núcleo (HRC) 17 a 25 23

55

A Figura 4.6 mostra, para as três peças (extraídas dos virabrequins) tratadas

termicamente, os resultados obtidos do mapeamento do perfil de microdureza realizado nas

regiões que compreendem (Regiões 1 a 3, conforme Figura 4.1)desde atratada termicamente

até a do núcleo, isto é, da superfície ao centro da peça, conforme metodologia de medição

apresentada pela Figura 3.8. Destacando que os limites superiores (LSE) e inferiores (LIE)

especificados são recomendados pelo fabricante da motocicleta.

Figura 4.6. Perfil de microdureza obtido para o virabrequim direito da motocicleta, tratado termicamente por têmpera de indução eletromagnética.

0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 3,0

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

300394

645669682691

392

677

446

Dur

eza

[HV

]

Distância [mm]

Região tratada termicamente Limite superior especificado (LSE) Limite inferior especificado (LIE) Mínio HES (Padrão do fabricante da motocicleta

697

Medição a cada 0,3 mmPeça 1

0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 3,0

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

324

547570570

392

570

446

Dur

eza

[HV

]

Distância [mm]


697


0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 3,0

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

608663671672

392

680

446

Dur

eza

[HV

]

Distância [mm]


697


56

O valor HES (392 HV) é o mínimo especificado, também pelo fabricante da

motocicleta. Verificam-se valores elevados de microdureza na região tratada termicamente,

resultando em valores médios de 672,8 HV, 516,2 HV e 658,8 HV que compreendem da

superfície (diâmetro de 30,3 mm da Figura 3.6) a 1,5 mm, 1,2 e 1,5 mm, para o interior ou

núcleo das Peças 1, 2 e 3, respectivamente. Notam-se, para os três casos analisados (Peças 1,

2 e 3), a partir das profundidadesalcançadas (1,5, 1,2 e 1,5 mm, respectivamente) a

microdureza cai abruptamente em direção ao núcleo. As Tabelas 4.4 a 4.6 consolidam os

valores representados pelos gráficos da Figura 4.6. Nas peças 1 e 2 foram realizadas medidas

somente no limite a 1,5 mm da borda das peças, os seja, na região de interesse (tratada

termicamente), uma vez que a dureza no núcleo foi avaliada pela mcrodureza (HRC).

Tabela 4.4 – Consolidação dos valores obtidos e especificados de microdureza (Peça 1).

Distância [mm] (superfície ao núcleo)

Dureza (HV) Encontrado LSE LIE Mínimo HES

0,3 677 697 446 392 0,6 691 697 446 392 0,9 682 697 446 392 1,2 669 697 446 392 1,5 645 697 446 392

Média 672,8 - - - 1,8 394 697 446 392 2,1 301 697 446 392 2,4 - 697 446 392 2,7 - 697 446 392 3 - 697 446 392




0,3 570 697 446 392 0,6 570 697 446 392 0,9 570 697 446 392 1,2 547 697 446 392 1,5 324 697 446 392

Média 516,2 - - - 1,8 - 697 446 392 2,1 - 697 446 392 2,4 - 697 446 392 2,7 - 697 446 392 3 - 697 446 392

57




0,3 680 697 446 392 0,6 672 697 446 392 0,9 671 697 446 392 1,2 663 697 446 392 1,5 608 697 446 392

Média 658,8 - - - 1,8 - 697 446 392 2,1 - 697 446 392 2,4 - 697 446 392 2,7 - 697 446 392 3 - 697 446 392

58

CAPÍTULO 5 - CONCLUSÃO

A análise dos resultados experimentais obtidos neste trabalho relacionados à têmpera

superficial por indução eletromagnética para o virabrequim direito de uma motocicleta,

fabricado a partir do aço AISI 1045, permite que sejam extraídas as seguintes conclusões:

1. A microestrutura reticular observadana região central, embora afetada pelo

tratamento térmico, mostrou a formação de ferrita pró-eutetóide em torno dos

grãos anteriormente austenítico que formaram colônias de perlita fina, não

influenciou nos níveis de dureza, mantendo-se com 20 HRC, obedecendo aos

padrões estabelecidos;

2. A zona de transição começa a ocorrer a 1,5 mm da superfície tratada, quando

aparece uma região apresentando microestrutura bastante refinada, constiuída de

carbonetos metaestáveis em uma matriz predominantemente de ferrita refinada,

provavelmente precipitados da martensita durante o processo de revenimento, que

se extende até o interior da região tratatada térmica, resultando numa estrutura de

elevada dureza, cerca de 55 HRC em média. A presença desses carbonetos e de

ferrita refinada predomina-se, praticamente, em toda borda da região tratada. Foi

possível observar a presença da estrutura metaestável martensítica muito refinada,

mas com predominância de carbonetos refinados dispersos em muma matriz

muito rica em ferrita e bastante refinada, resultando, portanto numa estrutura

Martensita-Revenida;

3. O resultado de difratometria de Raio X (DRX) realizado em uma das peças,

aponta uma estrutura predominante CCC, confirmando a agransformação

alotrópica, isto é, perda da tetragonalidade da martensita, pela presença de uma

matriz rica em ferrita, e refinada;

4. Os resultados obtidos para a microdureza mostram, para os três casos analisados,

valores elevados na região tratada termicamente, resultando em valores médios de

672,8 HV, 516,2 HV e 658,8 HV, cujo nível de valores se estendem até 1,5 mm

para o interior ou núcleo da peça, diminuindo abruptamente para valores

inferiores a 324 HV, relativas às profundidades em direção ao centro de 1,8 e 2,1

mm, respectivamente.

5. A Tabela 5.1, sintetiza as médiasdos resultados obtidos para a profundidade, a

macro e a microdureza;

59

Tabela 5.1 – Valores médios obtidos da profundidadee dureza do tratamento térmico superficial por indução eletromagnética entres as Peças 1, 2 3.

Cota Descrição Especificado Valores médios obtidos

enre as três peças (1, 3 e 3)


(mm) 0,7 a 3,1 1,3

C Dureza da têmpera (HRC)

45 a 60 54

D Dureza do núcleo (HRC) 17 a 25 21,33

6. Finalmente, conclui-se, portanto, através da caracterização dos microconstituintes

edos valores medidos de profundidade, macro e micro durezas, os quais se

encontram entre os limites de tolerâncias especificados para o processo, a eficácia

operacional do tratamento térmico de têmpera superficial por indução

eletromagnética assumido neste trabalho.

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SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS

1. Variar os parâmetros operacionais do tratamento térmico por indução

eletromagnética, como temperatura e tempo, durante a austenitização e

revenimento, avaliando a influência desta variação na microestrutura e na dureza;

2. Verificar à resistência à Fadiga das peças do virabrequim, para o aço utilizado,

tratadas termicamente por indução eletromagnética, nas mesmas condições

operacionais assumidas neste trabalho;

3. Analisar o potencial de corrosão das peças tratadas termicamente neste trabalho na

transição microestrutural: Martensita/Perlita+Ferrita, assumindo as mesmas

condições operacionais.

61

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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PRODUÇÃO CIENTÍFICA ORIUNDA DESTE TRABALHO Congresso Internacional

1. Jovânio G. T., Angela J. V., Evaldo J. S., Otávio L R.Têmpera por indução aplicada em virabrequim de motocicleta. XI Congresso Ibero-Americano em Engenharia Mecânica, La Plata, Argentina, 2013.

Artigo Submwetido à revista Semina: Qualis B3 CAPES

2. Jovânio G. T., Angela J. V., Evaldo J. S., Otávio L R. Microestrutura e Dureza Após Têmpera por Indução Eletromagnética Aplicada em Virabrequim de Motocicleta.

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE …ppgei.ufpa.br/images/docs/dissertacoes/Jovanio.pdf · Detalhes esquemáticos dos tratamentos térmicos 26 Figura 2.8. Esquema representativo