TRATAMENTOS TÉRMICOS
TRATAMENTOS TÉRMICOS
Prof. M.Sc.: Anael Krelling
1
TRATAMENTOS TÉRMICOS
RECOZIMENTO
Visa reduzir a dureza do aço, aumentar a usinabilidade, facilitar o
trabalho a frio ou atingir a microestrutura ou as propriedades desejadas.
Existem, basicamente, três tipos principais de recozimento:
•Recozimento pleno ou supercrítico;
•Recozimento subcrítico;
•Esferoidização ou recozimento intercrítico.
2
TRATAMENTOS TÉRMICOS
RECOZIMENTO OU RECOZIMENTO PLENO
Consiste em austenitizar o aço, resfriando-o lentamente a seguir.
A temperatura de recozimento é de mais ou menos 50°C acima da linha
A3 para aços hipoeutetóides e 50°C acima de A1 para aços
hipereutetóides. Nos Hipereutetóides não se deve ultrapassar a Acm,
porque, no resfriamento posterior, ao ser atravessada novamente esta
linha, formar-se-ia cementita nos contornos de grão da austenita, o que
iria fragilizar posteriormente a peça tratada.
O resfriamento deve ser feito dentro do forno ou ainda em
campânulas isoladas, cal em pó, areia bem seca, cinzas ou qualquer
meio que assegure um resfriamento lento.
3
TRATAMENTOS TÉRMICOS
4
TRATAMENTOS TÉRMICOS
RECOZIMENTO SUBCRÍTICO
É aquele em que o aquecimento se dá a uma temperatura abaixo
de A1. É usado para recuperar a ductilidade do aço trabalhado a frio
(encruado). O recozimento subcrítico é realizado antes de novas
deformações nos produtos
que sofreram deformação a frio.
Normalmente, o aquecimento do aço carbono na faixa de 595 a 675°C,
seguido de resfriamento ao ar, é suficiente.
As principais transformações são a recuperação e a
recristalização das fases encruadas. Não há formação de austenita, não
fazendo sentido, portanto a utilização de diagramas TTT.
5
TRATAMENTOS TÉRMICOS
Alívio de Tensões em Aço Carbono
6
TRATAMENTOS TÉRMICOS
RECOZIMENTO DE ESFEROIDIZAÇÃO
No recozimento de esferoidização se objetiva alterar a
distribuição dos carbonetos na microestrutura (especialmente aqueles
presentes na perlita), transformando-os em pequenos glóbulos ou
esferas, dispersos na matriz.
Em diversos casos, especialmente aços de médio a alto carbono,
esta estrutura é muito favorável para a usinabilidade.
Há várias maneiras de se obter uma estrutura de carbonetos
esferoidizados em matriz ferrítica após uma austenitização total ou
parcial: manutenção por tempo prolongado à temperatura pouco abaixo
de A1, resfriar lentamente ao passar por A1 ou ciclar acima e abaixo de
A1.
7
TRATAMENTOS TÉRMICOS
Esferoidização
8
TRATAMENTOS TÉRMICOS
9
TRATAMENTOS TÉRMICOS
NORMALIZAÇÃO
A normalização consiste na austenitização completa do aço,
seguida de resfriamento ao ar parado ou agitado. É indicada para a
homogeneização da estrutura após o forjamento e antes da têmpera ou
revenimento. Aços ligados que temperam ao ar não são normalizados.
Pode ser usada para as seguintes aplicações:
•Refino de grão (por meio de recristalização) e homogeneização da
estrutura visando a obter uma melhor resposta na têmpera ou no
revenimento posterior;
•Melhoria da usinabilidade;
•Refino de estruturas brutas de fusão (peças fundidas)
•Obter propriedades mecânicas desejadas.
10
TRATAMENTOS TÉRMICOS
11
TRATAMENTOS TÉRMICOS
TÊMPERA
ENDURECIBILIDADE
Endurecibilidade é um termo usado para descrever a habilidade
de uma liga em ser endurecida pela formação de martensita como
resultado de um dado tratamento térmico.
A endurecibilidade representa uma medida qualitativa da taxa
segundo a qual a dureza cai em função da distância ao se penetrar no
interior de uma amostra como resultado de um menor teor de
martensita.
Uma liga de aço que possui uma endurecibilidade elevada é uma
que endurece, ou que forma martensita, não apenas na superfície, mas
em elevado grau também ao longo de todo o seu interior.
12
TRATAMENTOS TÉRMICOS
ENSAIO JOMINY DA EXTREMIDADE TEMPERADA (ASTM A 255)
Um corpo de prova cilíndrico com 25,4mm de diâmetro e 100mm de
comprimento é austenitizado em uma temperatura predeterminada durante um
período de tempo predeterminado.
Após a remoção do forno ele é montado rapidamente sobre um suporte. A
extremidade inferior é resfriada rapidamente pela ação de um jato de água com vazão
e temperatura específicas.
Após a peça ter sido resfriada até a temperatura ambiente, chanfros finos e
chatos com 0,4mm de profundidade são feitos e polidos ao longo do comprimento do
CDP e são realizadas medições da dureza Rockwell para os primeiros 50mm ao longo
de cada chanfro; para os primeiros 12,8mm as leituras de dureza são tiradas em
intervalos de 1,6mm, enquanto para os demais 38,4mm as leituras são tomadas a cada
3,2mm.
Uma curva de endurecibilidade é produzida quando a dureza é plotada como
uma função da posição a partir da extremidade temperada.
13
TRATAMENTOS TÉRMICOS
14
TRATAMENTOS TÉRMICOS
15
TRATAMENTOS TÉRMICOS
16
TRATAMENTOS TÉRMICOS
Água
Óleo
17
TRATAMENTOS TÉRMICOS
18
TRATAMENTOS TÉRMICOS
Determinar o perfil radial da dureza para uma amostra
cilíndrica de um aço 1040 com 2 pol de diâmetro que
foi temperada em água moderadamente agitada.
19
TRATAMENTOS TÉRMICOS
TÊMPERA
Quando empregado sem qualificativo, o termo “têmpera” indica
um tratamento visando a formação de martensita.
A têmpera consiste em resfriar o aço, após austenitização, a uma
velocidade suficientemente rápida para evitar as transformações
perlíticas e bainíticas na peça em questão. Deste modo, obtém-se
estrutura metaestável martensítica.
Como diferentes aços apresentam curvas TTT distintas, a taxa
mínima de resfriamento necessário para evitar as transformações
perlítica e bainítica varia em uma faixa bastante larga.
Deve-se observar ainda que, com o aumento do teor de carbono,
diminui-se a temperatura para MI e MF. A dureza martensítica aumenta
com o teor de carbono.
20
TRATAMENTOS TÉRMICOS
Curva TTT do aço AISI ABNT 1050
21
TRATAMENTOS TÉRMICOS
Curva TTT do aço AISI ABNT 4340
22
TRATAMENTOS TÉRMICOS
Pode gerar austenita retida:
•Heterogeneidade
•Redução de propriedades
•Variação dimensional
23
TRATAMENTOS TÉRMICOS
Para o controle da taxa de resfriamento, utilizam-se diversos
meios de têmpera, com diferentes capacidades de extração de calor
(severidade). Os meios de têmpera mais comuns são: água (pura, com
adição de sal ou com adição de polímeros solúveis em água como
poliacrilato de sódio (PA) e polivinil álcool (PVA)), óleo e ar, embora
outros meios gasosos possam der empregados (nitrogênio, hélio,
argônio, etc.).
24
TRATAMENTOS TÉRMICOS
REVENIMENTO
Para atingir os valores adequados de resistência mecânica e
tenacidade, deve-se, logo após a têmpera, proceder ao revenimento.
O revenimento consiste no aquecimento a temperaturas
inferiores a temperatura Ac1 para aumentar a ductilidade e tenacidade e
ajustar a resistência mecânica ao nível desejado e promover alívio de
tensões.
25
TRATAMENTOS TÉRMICOS
Variação
das
propriedades
mecânicas do aço 4340 em função
da temperatura de revenimento.
26
TRATAMENTOS TÉRMICOS
TÊMPERA SUPERFICIAL
É um processo de têmpera convencional aplicado somente na
região superficial da peça. Ideal para produzir peças com alta dureza
superficial e, por consequência, com maior resistência ao desgaste, com
um núcleo mais mole e dúctil.
É o caso de engrenagens, em que se deseja alta resistência ao
desgaste na superfície para suportar o atrito de metais, e um núcleo
dúctil, para acomodar os impactos recebidos.
Para se promover um aquecimento rápido da superfície da peça,
utiliza-se o aquecimento indutivo (corrente alternada em bobinas
gerando um campo eletromagnético) ou por chama (processo mais
lento do que o indutivo, porém mais barato).
27
TRATAMENTOS TÉRMICOS
Diferentes tipos de espiras para o aquecimento indutivo, em função da região a ser aquecida.
28
TRATAMENTOS TÉRMICOS
Diferentes dispositivos para
têmpera superficial por chama.
29
TRATAMENTOS TÉRMICOS
30
TRATAMENTOS TÉRMICOS
CEMENTAÇÃO
Consiste na introdução de C na superfície do aço, de modo que este, depois
de temperado, apresente uma superfície mais dura. Para se produzir uma combinação
de uma superfície mais dura com núcleo tenaz, deve-se partir de um aço com baixo
carbono (C < 0,30%) e aquecê-lo, geralmente, entre 815 e 950°C.
Aços como AISI 5120, 8620, 4118, 4620 e 4023 são alguns dos mais
comumente empregados para engrenagens, por viabilizarem têmpera posterior em
óleo. AISI 9310 e 4320 podem ser empregados em aplicações com solicitações
rigorosas.
Pode ser feita por via:
•Sólida;
•Gasosa;
•Líquida;
•Vácuo;
•Plasma.
31
TRATAMENTOS TÉRMICOS
32
TRATAMENTOS TÉRMICOS
33
TRATAMENTOS TÉRMICOS
CEMENTAÇÃO SÓLIDA
As peças de aço são acondicionadas em caixas metálicas, a que
se adiciona carvão de madeira ou coque, catalisador constituído de uma
mistura de 50 a 70% de carbonato de bário com outros carbonatos
(cálcio, potássio e sódio) e um óleo ligante ou alcatrão.
34
TRATAMENTOS TÉRMICOS
VANTAGENS
•Pode utilizar uma grande variedade de fornos, pois produz sua própria atmosfera
cementante;
•É ideal para peças que precisam de resfriamento lento após a cementação, como as
que serão usinadas antes do tratamento de têmpera.
DESVANTAGENS
•Não é indicada para camadas que devem ser controladas dentro de uma tolerância
estreita;
•Não permite controle do potencial de carbono na superfície da peça;
•Não é recomendada para têmpera direta após cementação, devido à dificuldade de
desempacotar as peças;
•É mais lenta que os outros processos de cementação, pois é preciso aquecer e resfriar
a peça junto com a caixa que a contém.
35
TRATAMENTOS TÉRMICOS
Efeito do tempo de cementação na
profundidade da camada cementada e na
distribuição do carbono, para um aço 3115,
cementado a 925°C com carvão de
madeira, coque e carbonato de sódio
36
TRATAMENTOS TÉRMICOS
CEMENTAÇÃO GASOSA
Consiste em se colocar a peça a ser cementada em um forno
com atmosfera de potencial de carbono controlado.
A cementação gasosa é muito empregada industrialmente. A
limpeza inicial da superfície é muito importante para a obtenção de
resultados uniformes.
Reversível! Aço pode
receber (C) ou perder.
37
TRATAMENTOS TÉRMICOS
VANTAGENS
•Processo mais limpo que por via sólida;
•Melhor controle do teor de carbono e da espessura da camada cementada;
•Processo rápido e para produção contínua;
•Possibilita a têmpera direta, evitando o resfriamento.
DESVANTAGENS
•Custo alto dos equipamentos, se comparados com os da cementação sólida;
•Requer pessoal habilitado.
38
TRATAMENTOS TÉRMICOS
Gradiente de carbono no aço 1022 cementado a gás, a 920°C.
39
TRATAMENTOS TÉRMICOS
CEMENTAÇÃO LÍQUIDA
Consiste em se manter o aço em um banho de sal fundido em
uma temperatura acima de A1. A profundidade da camada cementada
depende da composição do banho e, principalmente, da temperatura
utilizada
Como o sal fundido contém cianeto de sódio (NaCN) e cianato de
sódio (NaCNO), a camada endurecida contém apreciável quantidade de
nitrogênio, que pode formar nitretos. Os nitretos aumentam a
resistência ao desgaste e reduzem o amolecimento durante os
tratamentos térmicos, como o revenimento.
40
TRATAMENTOS TÉRMICOS
VANTAGENS
•Obtenção de apreciáveis profundidades de penetração em tempo relativamente mais
curto que na cementação a gás, pois a peça entra em contato direto com a massa
líquida;
•Proteção efetiva contra descarbonetação;
•Possibilidade de operação contínua, pela colocação ou retirada das peças, enquanto
outras ainda estão em tratamento.
DESVANTAGENS
•Produz resíduos tóxicos de cianeto;
•Necessidade de limpeza posterior em alguns casos, como a têmpera em óleo.
41
TRATAMENTOS TÉRMICOS
Perfil de distribuição do carbono após
cementação líquida, em barras de aço
1020, utilizando diferentes temperaturas
do banho.
42
TRATAMENTOS TÉRMICOS
CEMENTAÇÃO A VÁCUO
O aço é austenitizado em uma câmara a vácuo (0,1 a 0,5 torr), com posterior
injeção de gás cementante (metano ou propano, puros ou misturados) em uma
pressão parcial entre 10 e 200 torr e mantido entre uma e três horas na temperatura
de austenitização para possibilitar a difusão do C. Em seguida, a câmara é evacuada e,
posteriormente, preenchida com gás nitrogênio, sendo o aço temperado diretamente
em óleo. A amônia pode ser adicionada ao gás cementante se for necessária a
introdução de nitrogênio na camada endurecida.
O processo oferece uma melhor uniformidade e um controle mais preciso da
camada cementada em relação á cementação gasosa. Como o processo todo é a
vácuo, as peças saem muito mais limpas que na cementação gasosa, não requerendo
limpeza posterior. A emissão de gases também é menor que na cementação gasosa,
reduzindo problemas ambientais. Em contrapartida, o custo do equipamento é maior.
43
TRATAMENTOS TÉRMICOS
CEMENTAÇÃO A PLASMA
A cementação com plasma usa a tecnologia de descargas
luminescentes para fornecer íons de carbono para a superfície da peça.
O processo de cementação iônica é mais rápido que o de
cementação a gás. Se o metano for usado, por exemplo, na cementação
a gás, ocorrerão várias reações de decomposição desse gás. Na
cementação iônica a dissociação do metano forma diretamente o
carbono ativo, reduzindo o tempo do processo.
Temperaturas mais altas podem ser usadas, o que favorece a
difusão do C e aumenta o limite de solubilidade do C na austenita.
Também em relação à cementação a vácuo a cementação iônica
é um processo mais rápido.
A camada cementada é mais uniforme. O processo iônico é mais
seguro que o a gás, pois não utiliza gases tóxicos como o monóxido de
carbono.
44
TRATAMENTOS TÉRMICOS
Perfil de distribuição do C em aço 8620 cementado por 30 minutos a 980°C com diferentes
45
processos
TRATAMENTOS TÉRMICOS
NITRETAÇÃO
Introdução superficial
de nitrogênio no aço
Menores que a
cementação – menor
distorção
Temperaturas na faixa de
(500 – 570°C)
Formação de camada
dura de nitretos
Al, Cr, Mo, V – maior
dureza em
comparação com
cementação
Até 70 HRC
46
TRATAMENTOS TÉRMICOS
NITRETAÇÃO GASOSA
Peça em atmosfera
de amônia
(500 – 565°C)
- Entre os fatores mais importantes para o aumento
da vida útil das matrizes de extrusão a quente na
indústria de alumínio.
- Processo mais utilizado (90 – 95%)
Acréscimo de pressão gera
acréscimo de dureza.
Dureza em diferentes posições da superfície nitretada a diferentes pressões.
47
TRATAMENTOS TÉRMICOS
NITRETAÇÃO LÍQUIDA
O aquecimento é feito na mesma faixa de temperatura da
nitretação a gás (500 a 570°C), utilizando um banho a base de cianeto
ou cianato.
A grande vantagem sobre a nitretação a gás é que o tempo
utilizado é bem menor.
A desvantagem é que a camada nitretada também é menor
(máxima de 0,015mm contra 0,7mm da nitretação a gás).
Os aços empregados são: carbono, baixa liga, ferramenta,
inoxidável e resistente ao calor.
48
TRATAMENTOS TÉRMICOS
Gradiente de nitrogênio no aço 1015 em função do tempo de nitretação líquida a 565°C.
49
TRATAMENTOS TÉRMICOS
NITRETAÇÃO A PLASMA
Bombardeamento de
íons de nitrogênio
sobre a peça
-Aquecimento
-Limpeza
-Fornecer N ativo
Formação da camada branca
é melhor controlada
ε(Fe2,3N) – Resistência ao
desgaste e fadiga, sem choque.
γ´(Fe4N) – Menor dureza e
resistência ao desgaste, maior
tenacidade.
Efeito da composição do gás na camada nitretada a plasma.
50
TRATAMENTOS TÉRMICOS
VANTAGENS
•Possibilidade de controle de fases na região branca: camada monofásica de γ’ (Fe4N),
camada monofásica de ε (Fe2-3N), camada bifásica de γ’ (Fe4N) + ε (Fe2-3N), ou ainda,
nenhuma formação destes nitretos;
•Melhor controle da camada nitretada;
•Menores temperaturas (tão baixas quanto 370°C);
•Menor distorção nas peças por trabalhar com menores temperaturas de processo;
•Não poluente (evita o uso de amônia);
•Menor consumo de energia;
•Maior facilidade de automação;
•Reduz tempo de nitretação.
DESVANTAGENS
•Alto custo do equipamento;
•Necessidade de fixar as peças com conectores para passagem de corrente elétrica;
51
TRATAMENTOS TÉRMICOS
52