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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
JOVANIO GOMES TENORIO
TÊMPERA POR INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA PROGRESSIVA DE ALTA
FREQUÊNCIA APLICADA EM VIRABREQUIM DE MOTOCICLETA
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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JOVANIO GOMES TENORIO
TÊMPERA POR INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA PROGRESSIVA DE ALTA
FREQUÊNCIA APLICADA EM VIRABREQUIM DE MOTOCICLETA
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.
7
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 – IFPACampus 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 4.2 – Resultados experimentais obtidos da profundidade e dureza do tratamento
térmico superficial por indução eletromagnética – Peça 2
54
Tabela 4.3 – Resultados experimentais obtidos da profundidade e dureza do tratamento
térmico superficial por indução eletromagnética – Peça 3
54
Tabela 4.4 – Consolidação dos valores obtidos e especificados de microdureza
56
Tabela 4.5 – Consolidação dos valores obtidos e especificados de microdureza
56
Tabela 4.6 – Consolidação dos valores obtidos e especificados de microdureza
57
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
CS
C0
C
DL
dP
dt
dT
GL
hi
k0
KL
KS
L
mL
P
t
TR
TL
TS
TV
VL
Calor específico na fase líquida
Calor específico na fase sólida
Composição de soluto na liga
Constante que depende do tipo de liga
Difusividade de soluto no líquido
Derivada da posição
Derivada do tempo
Derivada da temperatura
Gradiente de temperatura frente à isoterma liquidus
Coeficiente de transferência de calor na interface
metal/molde
Coeficiente de partição de soluto
Condutividade térmica no líquido
Condutividade térmica no sólido
Calor latente de fusão do material
Inclinação da linha liquidus
Posição dos termopares
Tempo de deslocamento da isoterma solidus
Taxa de resfriamento
Temperatura liquidus da liga
Temperatura solidus da liga
Temperatura de vazamento da liga
Velocidade da isoterma liquidus
[J/kg K]
[J/kg K]
[%]
[m2/s]
[ºC/mm ]
[W/m2 K]
[%]
[W/m K]
[W/m K]
[J/kg]
[mm]
[s]
[ºC/s]
[ºC]
[ºC]
[ºC]
[mm/s]
Letras Gregas
λc
λ1
λ2
λ3
ε
Γ
ρL
ρS
∆T
Espaçamento celular
Espaçamentos dendríticos primários
Espaçamentos dendríticos secundários
Espaçamentos dendríticos terciários
Fator de correção do modelo
Coeficiente de Gibbs-Thompson
Densidade no liquido
Densidade no sólido
Diferença de temperatura
[µm]
[µm]
[µm]
[µm]
[ε < 1]
[kg/m3]
[kg/m3]
[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 arcombustível 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.
24
Figura 2.6. Diagrama CCT representativo para diversos resfriamentos.
Fonte:https://wiki.ifsc.edu.br/mediawiki/images/a/a1/Aru_suzy_a
https://wiki.ifsc.edu.br/mediawiki/images/a/a1/Aru_suzy_apostila_tecnologia_dos_materiais.pdf
postila_tecnologia_dos_materiais.pdf
MARDER e GOLDSTEIN, 1984; MORGAN,, 1999; NOVIKOV,
Alguns autores (MARDER
1994; REED-HILL, 1982; RESTREPO
ESTREPO, 2001) ao analisarem o diagrama representado pela
Figura 2.6, observaram que:
•
um aço resfriado muito lentamente
lentamente, no forno por exemplo,, representado pela curva
A, começa a sua transformação no ponto Ai, e ao atingir o ponto Af é inteiramente
constituído de perlita, de granulação grosseira de baixa dureza;
•
aumentando um pouco a velocidade de extração de calor, por exemplo
exemplo resfriado ao
ar, como indicado pela curva B, obtêm-se
obtêm se perlita mais fina, com dureza mais
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 perlita
pe
ainda
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
interrompendo se em seguida, e ao atingir
o ponto Dmi, 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 hipoeutetóide 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.
Fonte: http://www.pmt.usp.br/pmt2402/TRATAMENTO%20T%C3%89RMICO%20DE%20A%C3%87OS.pdf
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.
Fonte: http://www.pmt.usp.br/pmt2402/TRATAMENTO%20T%C3%89RMICO%20DE%20A%C3%87OS.pdf
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.
(a)
(b)
(c)
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
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 (18591906 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-
0,15-
0,60-
0,030-
0,015-
0,30-
0,25-
0,10-
0,51
0,30
0,90
MAX.
0,030
MAX.
MAX.
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
0,7 a 3,1 mm
(mm)
B
Altura onde fica a têmpera
2,9 a 4,4 mm
(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.
Fonte: Fornecido pelo fabricante da motocicleta.
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
8
9
10
11
12
13
14
Fonte: Fornecido pelo fabricante da motocicleta.
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.
Fonte: Fornecido pelo fabricante da motocicleta.
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
Fonte: Fornecido pelo fabricante da motocicleta.
44
Figura 3.7. Corpo-de-prova retirado do virabrequim: (a) medição de espessura tratada
termicamente e (b) indicação da espessura.
Corpo-de-Prova
ESPESSURA
Fonte: Fornecido pelo fabricante da motocicleta.
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).
Fonte: Autoria própria
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.
12 3
Fonte: Autoria própria
32 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 – IFPACampus Belém.
Fonte: Autoria própria
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.
1
MR/FERRITA/CR
FA
FP ou FPE
FP ou FPE
Figura 4.1. Microestruturas reveladas das três (3) peças retiradas do virabrequim, tratadas termicamente
termicamente:: Região 1 – metal de base (MB) que não
sofreu o tratamento térmico; Região 2 - transição entre o MB e a região tratada termicamente; Região 3 – tratada termicamente por têmpera por
indução eletromagnética. (FP – ferrita primária; FPE – ferrita pro-eutétoide; FA – ferrita acicular; MR – matensita revenida; CR – carbonetos
refinados)
Região2
Região 1
Peça
Região 3
49
MR/FERRITA/CR
MR/FERRITA/CR
Fonte: Autoria própria
3
2
FA
FA
FP ou FPE
FA
FP ou FPE
FA
FP ou FPE
FP ou FPE
50
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)
FP ou FPE FA
FP ou FPE
FWD
FA
Fonte: Autoria própria
Figura 4.3. Microfotografia da peça não processada termicamente. FP- Ferrita
primária; FPE – Ferrira pró-eutetóide.
FP ou FPE
Perlita
Fonte: Autoria própria
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
Fonte: Autoria própria
Figura 4.5. Difrações de raios X (DRX) da Região 3, Peça 1 (Figs, 4.1 e 4.4).
CCC
Co
un
ts
Fonte: Autoria própria
Angle (2θ)
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)
A
C
D
Descrição
Especificado
Encontrado
Profundidade da têmpera
(mm)
Dureza da têmpera (HRC)
Dureza do núcleo (HRC)
0,7 a 3,1
1,5
45 a 60
17 a 25
54
20
Tabela 4.2 – Resultados experimentais obtidos da profundidade e dureza do tratamento
térmico superficial por indução eletromagnética – Peça 2.
Cota
(Figura 3.1)
A
C
D
Descrição
Especificado
Encontrado
Profundidade da têmpera
(mm)
Dureza da têmpera (HRC)
Dureza do núcleo (HRC)
0,7 a 3,1
1,2
45 a 60
17 a 25
54
22
Tabela 4.3 – Resultados experimentais obtidos da profundidade e dureza do tratamento
térmico superficial por indução eletromagnética – Peça 3
Cota
(Figura 3.1)
A
C
D
Descrição
Especificado
Encontrado
Profundidade da têmpera(mm)
Dureza da têmpera (HRC)
Dureza do núcleo (HRC)
0,7 a 3,1
45 a 60
17 a 25
1,5
58
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.
1000
950
Peça 1
900
Região tratada termicamente
Limite superior especificado (LSE)
Limite inferior especificado (LIE)
Mínio HES (Padrão do fabricante da motocicleta
850
800
750
Dureza [HV]
Medição a cada 0,3 mm
697
700
650
677
691
682
645
669
600
550
500
446
450
392
400
394
350
300
300
0,3
0,6
0,9
1,2
1,5
1,8
2,1
2,4
2,7
3,0
Distância [mm]
1000
950
Peça 2
900
Região tratada termicamente
Limite superior especificado (LSE)
Limite inferior especificado (LIE)
Mínio HES (Padrão do fabricante da motocicleta
850
800
750
Dureza [HV]
Medição a cada 0,3 mm
697
700
650
600
570
570
570
550
547
500
450
446
400
392
350
324
300
0,3
0,6
0,9
1,2
1,5
1,8
2,1
2,4
2,7
3,0
Distância [mm]
1000
950
Peça 3
900
Região tratada termicamente
Limite superior especificado (LSE)
Limite inferior especificado (LIE)
Mínio HES (Padrão do fabricante da motocicleta
850
800
750
Dureza [HV]
Medição a cada 0,3 mm
697
700
650
680
672
671
608
663
600
550
500
446
450
392
400
350
300
0,3
0,6
0,9
1,2
1,5
1,8
Distância [mm]
2,1
2,4
2,7
3,0
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)
0,3
0,6
0,9
1,2
1,5
Média
1,8
2,1
2,4
2,7
3
Dureza (HV)
Encontrado LSE LIE Mínimo HES
677
697 446
392
691
697 446
392
682
697 446
392
669
697 446
392
645
697 446
392
672,8
394
697 446
392
301
697 446
392
697 446
392
697 446
392
697 446
392
Tabela 4.5 – Consolidação dos valores obtidos e especificados de microdureza (Peça 2).
Distância [mm] (superfície ao
núcleo)
0,3
0,6
0,9
1,2
1,5
Média
1,8
2,1
2,4
2,7
3
Dureza (HV)
Encontrado LSE LIE Mínimo HES
570
697 446
392
570
697 446
392
570
697 446
392
547
697 446
392
324
697 446
392
516,2
697 446
392
697 446
392
697 446
392
697 446
392
697 446
392
57
Tabela 4.6 – Consolidação dos valores obtidos e especificados de microdureza (Peça 3).
Distância [mm] (superfície ao
núcleo)
0,3
0,6
0,9
1,2
1,5
Média
1,8
2,1
2,4
2,7
3
Dureza (HV)
Encontrado LSE LIE Mínimo HES
680
697 446
392
672
697 446
392
671
697 446
392
663
697 446
392
608
697 446
392
658,8
697 446
392
697 446
392
697 446
392
697 446
392
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
A
C
D
6.
Descrição
Especificado
Profundidade da têmpera
(mm)
Dureza da têmpera
(HRC)
Dureza do núcleo (HRC)
0,7 a 3,1
Valores médios obtidos
enre as três peças (1, 3 e 3)
1,3
45 a 60
54
17 a 25
21,33
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.
60
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
AKBAY, T., ATKINSON, C. The influence of diffusion of carbon in ferrite as well as in
austenite on model of reaustenitization ferrite/cementite mixtures in Fe-C steels. Journal of
Materials Science. v.31, p.2221-2226, 1996.
CABALLERO, F.G. et al. Modelling of kinetics of formation in steels with different initial
microstructure. ISIJ International. v.41, p. 1093-1102, 2001.
CALLISTER JR., W. D. Materials Science and Engineering : An introduction. 7th ed.
Department of Metallurgical Engineering The University of Utah: John Wiley & Sons. 2008.
CESARIN, S. J. Caracterização da tenperabilidade de um aço C-Mn microligado ao boro,
aravé de dilatrometria e curvas de trabsformação de fasespor resfriamento contínuo. Tese
(Doutorado), Escola de Engenharia se São Carlos – Universidade de São Paulo, 1996, 181p.
CHIAVERINI.V. Tratamento térmico das Ligas Ferrosas. Associação Brasileira de Metais,
1985. p 31-74.
CHU, X.; BARNETT, S.A.; WONG, M.S.; SPROUL, W.D. Surface and Coating
Technologies, vol. 57, n. 1, pp. 13-18, 1993
DANDA, S., Effect of induction hardening on high carbon steel forgings. International
Journal of Soft Computing and Engineering (IJSCE) 1: 15-18, 2011.
ESTEVEN.W., BALAJIVA. K.; The Influence of Minor
IsothermalEmbrittlement of Steels. JISI, 193, Oct. 1959, pp. 141-147.
Elements
on
the
FERREIRA, Carlos Roberto; ARAÚJO, Fernando Gabriel da Silva; OLIVEIRA, Cristovam
Paes de; COTA, André Barros Cota. Tratamento térmico por indução eletromagnética em
tubos de aço SAE 1045 para produção de hastes de sondagem geológica. Metalurgia &
Materiais 57(1):23-26, 2004.
FRANCO, JR. A.R. Obtenção de Revestimentos Dúplex por Nitretação a Plasma e PVD-TiN
em Aços Ferramenta AISI D2 e AISI H13, Tese de Doutoramento, Epusp, 2003.
GOIJAERTS, A.M.; STEGEMAN, Y.W.; GOVAERT, L.E.; BROKKEN, D.;
BREKELMANS, W.A.M.; BAAIJENS, F.P.T., Can a new experimental and numerical study
improve metal blanking?, Journal of Materials ProcessingTechnology 100 (2000) 44-50.
GOIJAERTS, A.M.; GOVAERT, L.E.; BAAIJENS, F.P.T., Evaluation of ductile fracture
models for different metals in blanking, Journal of Materials Processing Technology 110
(2001) 312-323.
HATANAKA, N.; YAMAGUCHI, K.; TAKAKURA, N., Finite element simulation of the
shearing mechanism in the blanking of sheet metal, Journal of Materials Processing
Technology 139 (2003) 64-70.
HIBBELER, Runell Charles. Resistência dos materiais. 7. ed. São Paulo: Pearson Prentice
Hall, 2010.
62
HILDITCH, T.B.; HODGSON, P.D., Development of the sheared edge in the trimming of
steel and light metal sheet, Journal of Materials ProcessingTechnology 169 (2005).
HOFFMANN, Hartmut. Componentes prensados em chapas metálicas espessas. Máquinas e
Metais. Ago/98, p.20.
HORN.R.M. and RITCHIE. R. O.; Mecanisms of Tempered MartensiteEmbrittlement in Low
Alloy Steels. Metallurgcal Transictions A, Vol. 9A , Aug. 1978,p. 1039-1053.
HULTMAN, L.; SUNDGREN, J.E. IN: Handbook of Hard Coatings – Deposition
Technologies, Properties and Applications. Ed. Bunshaw, R.F., p. 111, Noyes Publications,
Park Ridge, New Jersey, 2001.
JACOT, A. et al. Modelling of reaustenitization from the perlite structure in steel. Acta
Metallurgical. v.46, p. 3949- 3962, 1998.
JACOT, A., RAPPAZ M. A combined model for the description of austenitization,
homogenization and grain growth in hypoeuctetoid Fe-C steels during heating. Acta
Materialia. v.47, p. 1645-1651, 1999.
KANG, J., WANG, C., WANG, G. D., Microstructural characteristics and impact fracture
behavior of a high-strength low-alloy steel treated by intercritical heat treatment. Materials
Science and Engineering A 553:96–104, 2012.
KLINGENBERG, W.; SINGH, U.P., Finite element simulation of the punching/blanking
process using in-process characterization of mild stell,Journal of Materials Processing
Technology 134 (2003) 296-302.
KRAUSS, G. Steels: Heat Treatment and Precessing Principies. ASM International. 1990, p.
145-256.
LESCANO. D., MANCINI. R.i, and LANZILLOTTO. C.; Evaluation of tempered
marnteensite Embrittlement en AISI 15B41 Steel. Journal of Materials Science letters n.14,
1995 – p 1241-1242.
LESLIE. W.C.; The Physical Metallurgy of Steels. Techbooks, India. 1991.
LOVELESS, D., RUDNEV, V.; LANKFORD, L; DESMIER, G. AND MEDHANIE, H.
Advanced Non-rotational Induction Crankshaft Hardening Technology Introduced
Automotive Industry. Industrial Heating, November, 2000. ASM Metals Hand Book. vol. 4.
LOVELESS, D.; RUDNEV, V.; COOK, R.; AND BOUSSIE, T. Longitudinal Flux Induction
Heating of Slabs, Bars and Strips Is No Longer. Industrial Heating, February 2005 (A).
LOVELESS, D. L.; COOK, R. L; RUDNEV, V. t Considering Nature and Parameters of
Power Supplies for Efficient Induction Heat Treating. Industrial Heating. June 2005 (B).
MACEDO, Q. M. Efeito dos parâmetros de austenitização sobre a microestrutura e
propriedades do Aço4130 submetido a tratamentos térmicos por indução eletromagnética.
Dissertação de Mestrado submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de
Materiais da REDEMAT, Outro Preto, Junho 2007.
63
MARDER. A. R. and GOLDSTEIN. J.I.; Phase Transformations in Ferrous AlloysStructureProperty Relationships in Ferrous transformation Products. AIME, 1984,pp 11-41.
METERKOWSKI.J.P. and KRAUSS. G.; Tempered Martensite Embrittlement in SAE 4340
Steel. Metalurgical Transactions A, Vol. 10A, Nov. 1979, pp. 1643-1651.
MORGAM, P.; Properties of HXK 15B30 XLECIL TM
Components.Metallurgical Technology Product Development, Set. 1999.
for
Agricultural
NITKIEWIEZ, Z., JEZIORSKI, L. Plasma heat treatment of steel: microstructure, properties
and applications. Materials Science and Engineering A 140:474-478, 1991.
NORDIN, M.; LARSON, M. Surface and Coatings Technology, vol. 116-119, pp. 108-115,
1999.
NOVIKOV, I.;Teoria dos Tratamentos Térmicos dos Metais, Editora UFRJ, p 439-457, 1994.
PRADO, J. M.; CATALEN, J. J.; MARSAL, M. Dilatometric study of isothermal
ptransformtion in C-Mn steel.Journal of Materials Science, n. 25, p. 1936-1946. 1990.
PALANIRADJA, K. N. Alagumurthi and V. Soundararajan.Modeling of
Transformation in Induction Hardening.Materials Science Journal, 2010, 4, 64-73.
Phase
PETERS. J.A., BEE. J.V., KOLK. B. and GARRETT.G.G.; On the Mechanisms ofTempered
Martensite Embrittlement.Acta Metallurgica, v. 37, n 2, 1989, p. 675-686.
REED-HILL. R. E.;Princípios de Metalurgia Física, 2ª ed., p 620 – 633, 1982.
RESTREPO, H.S.; Propriedades Mecânicas del Acerro 15B30. Revista UniversidadEAFIT,
no 124, Dez. 2001, p 67-75.
RUDNEV, V. I., LOVELESS, D. L., COOK, R. L., BLACK, M. R. Induction heat treatment:
basics principles, computation, coil construction, and design considerations, In: Totten, G. E.,
Howes, M. A. H. Steel Heat Treatment Handbook, M. New York: Dekker, 765-867, 1997.
RUDNEV,V. Can Fe-Fe3C phase transformation diagram be directly applied in induction
hardening of steel? , Professor Induction Series, Heat Treating Progress, ASM Int., June/July.
2003 . p.27.
RUDNEV, V. L; LOVELESS, D. L; COOK, R. L. e BLACK. M. R. Handbook of induction
Heating. New York: Editora Mareei Dekker.2003 . p 11 - 136. (A)
RUDNEV, V. Induction Heat Treating: The Basics & Beyond. In: II Conferência
Brasileira de Temas de Tramento Térmico, 2004, Atibaia, São Paulo, 22 a 25 de novembro de
2004.
SAHAA, A., MONDALB, D. K., MAITYB, J. Effect of cyclic heat treatment on
microstructure and mechanical properties of 0.6 wt% carbon stee. Materials Science and
Engineering A 527:4001–4007, 2010.
SARIKAYA.M., JHINGAN.A.K. and THOMAS. G.; Retained Austenite and Tempered
Martensite Embittlement in Medium Carbon Steels. Metallurgical Transictions A, Vol. 14A,
1983, pp. 1121-1133.
64
TINGDONG.X. and BUYUAN.C.; Kinetics of non-equilibrium
segregation.Pergamon, Process in Materials Science, 49, 2004, pp 109-208.
grain-boundary
THOMAS. G.; Retained Austenite and Tempered Martensite Embrittlement” Mettallurrgical
Transictions A, Vol. 9A, March 1978, pp. 439-450.
THORNTON J.A. Annual Review of Materials Science, vol. 7, pp. 239-260, 1977.
VALES, S.S. Estudo da Influência do Tratamento criogénico no aço AISI H13. Dissertação
de Mestrado em Ciências e Engenharia de Materiais, Escola de Engenharia de São Carlos,
Insituto de Física de São Carlos, Insituto de Química de Sâo Carlos, Universidade de São
Paulo, São Carlos, 2011. 105 p.
VENKATESH, B.D., CHEN, D.L., BHOLE, S.D., Effect of heat treatment on mechanical
properties of Ti–6Al–4V ELI alloy. Materials Science and Engineering A 506:117–124, 2009.
YUAN, J. KANG, Y. RONG, AND R.D. SISSON, JR. FEM Modeling of Induction
Hardening Processes in Steel.Journal of Materials Engineering and Performance.(2003)
12:589-596.
ZIA-EBRAHIMI.F. and KRAUSS.G.; Mecanisms of Tempered Martensite brittlement im
Medium-Carbon Steels.Acta Metallurgica, Vol. 23, No. 10, 1995, pp 1767-177.
65
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.