CAMPUS IMPERATRIZ

Diretoria de Ensino DEN

Departamento de Ensino Tcnico DENTEC

Curso Tcnico em Eletromecnica

Prof. LACIO GOMES GALDINO

INTRODUO AOS TRATAMENTOS TRMICOS NOS AOS

Imperatriz MA 2013

Prof. LACIO GOMES GALDINO

INTRODUO AOS TRATAMENTOS TRMICOS NOS AOS

Apostila aplicada ao Curso Tcnico

em Eletromecnica do Instituto Federal de Educao, Cincias e Tecnologia do Maranho/ CAMPUS Imperatriz, como complementao didtica disciplina Materiais. Prof. Orientador: Lacio Gomes Galdino

Imperatriz MA 2013

SUMRIO

1 INTRODUO ................................................................................. 3

2 TRATAMENTOS TRMICOS .......................................................... 4

2.1 Objetivos Gerais .............................................................................................. 4

2.2 Tipos Comuns ................................................................................................. 4

2.3 Fatores de Influncia....................................................................................... 5

2.3.1 Temperatura ................................................................................................... 5

2.3.2 Tempo de Permanncia ................................................................................. 6

2.3.3 Velocidade de Aquecimento ........................................................................... 6

2.3.4 Velocidade de Resfriamento .......................................................................... 6

2.3.5 Proteo das Peas ....................................................................................... 7

2.4 Esferoidizao ................................................................................................. 8

2.5 Recozimento .................................................................................................... 8

2.6 Normalizao ................................................................................................... 9

2.7 Tmpera ......................................................................................................... 10

2.8 Revenido ........................................................................................................ 12

2.9 Martmpera .................................................................................................... 13

2.10 Austmpera .................................................................................................. 13

3 ENDURECIMENTO SUPERFICIAL - PROCESSOS TERMOQUMICOS ............................................................................16

3.1 Cementao ................................................................................................... 16

3.1.1 Tratamentos trmicos posteriores ................................................................ 17

3.2 Nitretao ....................................................................................................... 18

3.2.1 Mtodos de nitretao .................................................................................. 18

3.2.1.1 Nitretao a gs ........................................................................................ 18

3.2.1.2 Nitretao por via lquida ........................................................................... 19

REFERCIAS ....................................................................................21

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1 INTRODUO

O ferro o principal constituinte de uma das ligas mais importantes na engenharia: o ao. Os aos so empregados nos mais variados componentes. Fica difcil imaginar um equipamento que no possua uma pea de ao em sua constituio.

O ferro um metal alotrpico, isto , ele apresenta mais de uma estrutura cristalina de acordo com a temperatura. Quando solidifica, a 1538 C, passa a

apresentar uma estrutura cbica de corpo centrado, a fase ( - delta). Continuando o resfriamento, ocorre uma mudana de fase na temperatura de 1394 C, com os tomos de ferro sofrendo um rearranjo para uma estrutura cbica de faces

centradas, a fase ( - gama). Na temperatura de 912 C ocorre um novo rearranjo cristalino e o ferro volta a apresentar uma estrutura cbica de corpo centrado, a

fase ( - alfa). Abaixo da temperatura de 768 C (ponto Curie) o ferro passa a apresentar um comportamento magntico, sem no entanto apresentar qualquer mudana na estrutura cristalina.

b

Figura 01- Diagrama de Equilbrio Binrio Fe-C.

Todas estas transformaes alotrpicas ocorrem com liberao de calor no resfriamento (reaes exotrmicas) e com absoro de calor no aquecimento (reaes endotrmicas). Evidentemente a quantidade de energia envolvida bem inferior quela envolvida na transformao de estado (calor latente de solidificao, por exemplo). J a existncia destas transformaes, conforme ser visto mais adiante, faz com que os aos apresentem-se como uma classe de materiais extremamente versteis atendendo a um grande espectro de propriedades mecnicas.

+Fe 3 C Perlita

Ponto Eutet ide

Ponto Eut tico

A 3

A 1

+Fe 3 C Perlita

Ponto Eutet ide

Ponto Eut tico

A 3

A 1

+Fe 3 C Perlita

Ponto Eutet ide

Ponto Eutet ide

Ponto Eut tico

Ponto Eut tico

A 3

A 1

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2 TRATAMENTOS TRMICOS

2.1 Objetivos Gerais

Os tratamentos trmicos so um conjunto de operaes que tm por objetivo modificar as propriedades dos aos e de outros materiais atravs de um conjunto de operaes que incluem o aquecimento e o resfriamento em condies controladas. Desta maneira conseguimos obter uma variada gama de propriedades que permitem que tenhamos materiais mais adequados para cada aplicao, sem que com isto os custos sejam muito aumentados. Como o ao o material mais comumente utilizado em engenharia todo o enfoque dado aqui residir sobre este tipo de material, embora os tratamentos trmicos aqui descritos possam ser aplicados a outros tipos.

2.2 Tipos Comuns

Os tipos mais comuns de tratamentos trmicos so:

a. Esferoidizao

b. Recozimento

c. Normalizao

d. Tmpera + Revenido

Abaixo daremos uma breve idia do que cada um destes tratamentos que sero tratados em maiores detalhes adiante.

Esferoidizao

Consiste em um tratamento que visa globulizar a cementita fazendo com que tenhamos uma microestrutura formada de um fundo de ferrita com cementita esferoidal, donde temos a origem do nome. Este tratamento tambm chamado de coalescimento pelo fato de que durante o processo a cementita se aglutina em partculas de forma esferoidal.

Recozimento

O recozimento um tratamento trmico em que o resfriamento, a partir do campo austentico, deve ser feito de maneira bastante lenta para que tenhamos a formao de uma microestrutura de perlita grosseira. Isto far com que tenhamos um material de baixa dureza e baixa resistncia.

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Normalizao

Se, ao invs de obtermos perlita grosseira obtivermos perlita fina no resfriamento teremos uma normalizao. Isto pode ser conseguido aumentando-se a velocidade de resfriamento comparada com a velocidade do recozimento. Embora esta seja a diferena mais imediata, devemos destacar que a normalizao provoca uma transformao mais importante que a diminuio tamanho do gro, algo que extremamente benfico para a tenacidade do material.

Tmpera e Revenido

Embora estes dois itens tenham que ser tratados separadamente pelas grandes diferenas que existem entre eles, os dois tratamentos sempre sero feitos em seqncia. Enquanto que a tmpera um tratamento que visa a obteno de uma microestrutura completamente martenstica, que por conseqncia ser dura e frgil, o revenido ser empregado para corrigir justamente a fragilidade resultante da tmpera. Como conseqncia, sempre que fizermos um tratamento de tmpera, ser feito o tratamento de revenido.

2.3 Fatores de Influncia

Sempre que fizermos um tratamento trmico, o seu sucesso ou fracasso ser determinado por alguns fatores-chave que devero ser muito bem observados. Um erro de avaliao de um deles far com que tenhamos como resultado uma microestrutura diferente da prevista e por conseqncia um material com propriedades diferentes das desejadas.

2.3.1 Temperatura

Sempre que fazemos uma transformao partimos de uma microestrutura de maior energia para uma microestrutura de menor energia. No caso dos tratamentos trmicos a passagem de uma microestrutura para outra requer sempre um aquecimento para que se chegue a um nvel de energia que permita a transformao. Por exemplo, para termos transformao de uma microestrutura composta por ferrita e perlita para martensita, devemos primeiramente austenitizar o material e aps, fazendo um resfriamento rpido, obter martensita.

No caso dos tratamentos trmicos de recozimento, normalizao e tmpera o ao deve ser levado obrigatoriamente at o campo austentico e a partir dali feito o resfriamento adequado. J no caso da esferoidizao o material no precisa ser austenitizado, podendo ser aquecido at pouco abaixo da temperatura eutetide.

http://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/temperaturas_de_aquecimento_TT.htmhttp://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/temperaturas_de_aquecimento_TT.htmhttp://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/temperaturas_de_aquecimento_TT.htmhttp://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/temperaturas_de_aquecimento_TT.htm

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Deve ser observado tambm que as temperaturas de austenitizao para recozimento e normalizao correspondem mesma faixa para aos hipoeutetides, mas diferem para os aos hipereutetides. Isto se deve ao fato de que como as velocidades de resfriamento para recozimento so mais lentas do que para normalizao, se fizssemos uma austenitizao completa no recozimento iria se formar uma rede de cementita no contorno de gro durante o resfriamento lento que faria com que o ao ficasse frgil. Para o tratamento trmico de tmpera so usadas normalmente as temperaturas de normalizao, embora para aos hipereutetides exista alguma dependncia do teor de elementos de liga.

A no ser que hajam fatores associados ao teor de elementos de liga, as temperaturas de austenitizao no devem se situar em valores superiores a 50o C acima da temperatura mnima de austenitizao apontada pelas linhas de solubilidade, pois neste caso poderemos ter crescimento do gro o que prejudicial para a tenacidade do material.

2.3.2 Tempo de Permanncia

Quando levamos um ao at o campo austentico, as transformaes no ocorrem instantaneamente. A transformao leva um certo tempo para ocorrer e depende do tipo de transformao que ir ocorrer. Assim, a transformao de perlita ou esferoidita para austenita se d mais rapidamente que a dissoluo de carbonetos para austenita. Desta forma o tempo em que o ao dever permanecer nas temperatura de austenitizao depender da composio do ao.

2.3.3 Velocidade de Aquecimento

A velocidade de aquecimento, constitui-se de um fator crtico para o sucesso de um tratamento trmico da pea. Velocidades altas para o aquecimento podero conduzir ao surgimento de trincas e/ou empenamentos na pea, devido as mudanas de fases e/ou desprendimento de gases. Neste, caso faz-se necessria uma prvia avaliao do operador quanto ao material, dimenses e formatos da pea para evitar sua inutilizao.

2.3.4 Velocidade de Resfriamento

Talvez o fator mais crtico para o sucesso de um tratamento trmico seja o resfriamento da pea aps a austenitizaco. Um erro na avaliao da velocidade correta de resfriamento poder conduzir a uma estrutura completamente diferente

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da pretendida o que far com que o material fique com propriedades completamente diferentes das planejadas. Um caso comum de erro ocorre na normalizao de aos ligados de alta temperabilidade. O diagrama isotrmico nos mostra que os tempos de transformao so grandes para estes aos. Nas velocidades normais de resfriamento usadas na normalizao, onde as peas so resfriadas ao ar, podemos ter transformao no em perlita fina apenas, mas tambm em bainita at mesmo martensita, o que conduziria a durezas muito maiores do que as esperadas. Neste caso a soluo seria fazer um resfriamento mais lento do que o normal. No caso do processo de tmpera em que o objetivo de se obter uma microestrutura totalmente martenstica para que se tenha a mxima dureza, a situao se inverte. Como a velocidade de resfriamento no s dependente do meio de resfriamento mas tambm da temperabilidade e do tamanho das peas, em muitos casos os meios usuais de resfriamento podem no ser adequados. Poderemos ter a formao de outros produtos na microestrutura, tais como perlita ou bainita que diminuiro a dureza. Nestes casos deveremos aumentar a velocidade de resfriamento ou at mesmo utilizar um ao com maior temperabilidade para resolver o problema.

Outro problema associado ao tratamento de tmpera o surgimento de trincas e empenamentos devido velocidade de resfriamento. Quanto mais complicada for a forma da pea maior a tendncia ao aparecimento de trincas. A soluo deste tipo de problema est sempre na diminuio da velocidade de resfriamento pela utilizao de meios que produzam uma menor retirada de calor da pea. Os problemas relativos ao resfriamento sero tratados em maiores detalhes mais adiante quando forem abordados os tratamentos trmicos.

2.3.5 Proteo das Peas

Se um ao for aquecido at temperatura acima de 600 C em uma atmosfera rica em oxignio, como, por exemplo, o ar ambiente, ocorrer na superfcie da pea um fenmeno chamado de descarbonetao. A descarbonetao nada mais do que a combinao do carbono do ao com o oxignio livre do ambiente. Este processo conduz perda de carbono do ao a partir da sua superfcie, fazendo com que a pea fique com uma camada com teor reduzido em carbono. A espessura desta camada depender do tempo e da temperatura em que a pea ficar exposta a estas condies. Obviamente esta uma situao normalmente indesejvel, pois a diminuio do teor de carbono conduzir a uma diminuio na dureza. Este fato se torna mais grave quando realizamos um tratamento trmico de tmpera, pois uma diminuio no teor de carbono provoca uma queda sensvel na dureza, j que a dureza da martensita depende do teor de carbono. Assim sendo, as peas submetidas a tratamentos trmicos devero ser protegidas por uma atmosfera neutra que impea a descarbonetao. Isto pode ser conseguido utilizando-se fornos que produzam este tipo de atmosfera ou, caso isto no seja possvel, deve-se envolver as peas em uma substancia rica em carbono como cavacos de ferro fundido ou carvo.

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2.4 Esferoidizao

O processo de esferoidizaao ou de coalescimento utilizado para aos com teores superiores a 0,5% de carbono, mas principalmente para aos hipereutetides. Quando se deseja fazer uma processo de usinagem ou de conformao de uma pea, o recozimento poder no baixar a dureza o suficiente para que a tarefa seja executada. Este problema acontece principalmente em aos com elevados teores de elementos de liga e elevado teor de carbono. Para este tipo de ao uma estrutura formada por perlita e cementita apresentar uma dureza muito alta e a nica alternativa ser o processo de esferoidizao.

O tratamento trmico de esferoidizao pode ser feito de duas maneiras:

- Aquecendo-se o ao at uma temperatura logo abaixo da temperatura eutetide, permanecendo-se nesta temperatura por um tempo que varia de oito a vinte horas, com resfriamento posterior ao ar.

- Austenitizar o material, fazer um resfriamento at uma temperatura logo abaixo da temperatura eutetide, mantendo-se nesta temperatura por um tempo entre oito e vinte horas e resfriamento ao ar. Este tratamento tambm pode ser efetuado variando-se ciclicamente entre temperaturas acima e abaixo da temperatura de austenitizao.

A segunda forma de execuo deste tratamento a que propicia tempos menores de tratamento e pode ser facilmente entendida pela observao.

A microestutura resultante deste tratamento a esferoidita, isto , um fundo de ferrita com a cementita e os carbonetos dos elementos de liga em forma esferoidal dispersos nesta matriz.O fato de termos a cementita distribuda na matriz de ferrita faz com que o ao apresente uma tima ductilidade e baixa resistncia devido predominncia das propriedades da ferrita neste caso.

2.5 Recozimento

O processo de recozimento aplicvel a aos que possuem baixo ou mdio teor de carbono, isto , para aos que possuam at 0,5% de carbono ou para teores mais elevados desde que no possuam elementos de liga. O objetivo deste tratamento o de conferir uma dureza baixa, resistncia mecnica baixa e uma ductilidade alta. aplicvel a peas em que se deseja fazer usinagem ou conformao mecnica. Basicamente este processo consiste no aquecimento do material at a temperatura de austenitizao seguindo-se um resfriamento lento at a temperatura ambiente. Geralmente basta que a pea seja deixada no forno

http://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/curva_de_transformacao_esferoidizacao.htmhttp://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/curva_de_transformacao_esferoidizacao.htmhttp://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/microestrutura_esferoidizado.htmhttp://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/curva_de_resfriamento_recozimento.htm

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desligado, produzindo-se um resfriamento lento. Esta forma de resfriamento aplicvel para aos de baixa e mdia temperabilidade. neste caso o recozimento ser dito recozimento convencional ou recozimento pleno.

Para os aos que possuem temperabilidade mais alta muitas vezes pode ser necessrio diminuir muito a velocidade de resfriamento para que a dureza seja suficiente baixa. Nestes casos ser necessrio proceder transformao a uma temperatura constante ou quase constante. Este procedimento d origem ao que se convenciona chamar de recozimento isotrmico. A diferena deste processo para o de esferoidizao que as temperaturas so mais baixas fazendo com que os tempos sejam menores. De qualquer modo este tratamento conduz a tempos maiores do que os do recozimento convencional e este fator deve ser considerado quando o realizarmos.

Como j foi citado anteriormente o recozimento visa a obteno de perlita grosseira por ser esta a estrutura que propicia as propriedades desejadas.

2.6 Normalizao

O processo de normalizao produz propriedades semelhantes s obtidas no recozimento e em virtude disto muitas vezes os dois podem ser usados alternativamente para obter baixa dureza, boa ductilidade e para eliminar estruturas provenientes de tratamentos anteriores, como o caso de tratamentos prvios de tmpera e em peas fundidas ou forjadas. Ocorre, porm, que a normalizao feita geralmente com resfriamento das peas ao ar. Isto conduz a uma velocidade de resfriamento mais alta do que aquela do recozimento, dando como resultado uma estrutura formada por perlita mais fina. Em conseqncia, a ductilidade ser menor do que no material recozido, sua dureza e resistncia mecnica sero maiores. Por outro lado, devido maior velocidade de resfriamento teremos um refino do gro do ao, pois a velocidade de nucleao da ferrita e da perlita ser maior na medida em que tivermos temperaturas de transformao mais baixas, conforme ser visto em captulo posterior. Outra vantagem da normalizao reside no fato de que se pode utilizar temperaturas mais altas de austenitizao, permitindo uma maior dissoluo dos carbonetos dos elementos de liga e, no caso de aos hipereuteides, no teremos a formao da rede de cementita em contorno de gro, como acontece no recozimento.

Normalmente no se tem maiores problemas em adotar o resfriamento ao ar para o processo de normalizao, entretanto, para aos com alta temperabilidade esta velocidade pode ser excessiva, dependendo do tamanho da pea, de tal sorte que tenhamos a formao de bainita e at mesmo martensita. Nesta situao deve ser feito um tratamento a uma velocidade mais baixa de resfriamento ou um tratamento isotrmico.

http://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/curva_de_transformacao_aco_temperabilidade.htmhttp://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/curva_de_transformacao_proc.%20normalizacao.htm

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2.7 Tmpera

Dentre os tratamento trmicos comuns, o tratamento trmico de tmpera o mais importante devido ao fato de que atravs dele podemos ter um grande aumento da resistncia mecnica e da dureza do ao e de outros materiais. Este o aspecto mais importante, porm, em contrapartida teremos uma queda muito grande da ductilidade e principalmente da tenacidade. Este inconveniente ser depois corrigido atravs do processo de revenido que ser abordado mais adiante.

Se por um lado o tratamento de tmpera nos d condies de produzirmos um grande aumento na resistncia mecnica e na dureza, a um custo relativamente baixo, por outro existe uma maior complexidade na sua execuo. Isto se deve grande variao na composio dos aos e, por conseqncia, na sua temperabilidade. O carbono e os elementos de liga exercem um papel preponderante com relao a este tratamento, j que tanto influem na temperatura de austenitizao quanto na velocidade de resfriamento. Assim, a temperatura de austenitizao varia de ao para ao, como conseqncia da variao no teor de carbono e dos elementos de liga, pois os carbonetos formados devem ser dissolvidos pelo menos em parte para que tenhamos o efeito desejado na temperabilidade. No basta portanto austenitizarmos o ao para termos sucesso no tratamento, mas preciso que tenhamos tambm parte dos elementos de liga dissolvidos na austenita.

Alm da temperatura de austenitizao, outro fator importante a velocidade de resfriamento. Esta deve ser tal que impea a formao de qualquer outro produto que no seja a martensita. obvio que isto nem sempre possvel pois outros fatores devem ser considerados mas, de qualquer forma, este o objetivo que deve ser perseguido neste tratamento. Como existe variao na temperabilidade com a variao do teor de carbono e dos elementos de liga, tambm a velocidade de resfriamento varia. Ela deve ser a menor possvel para que tenhamos o menor empenamento possvel das peas mas, no deve ser to lenta que impea a formao de martensita. Podemos notar que existem duas curvas, sendo uma relativa superfcie da pea e a outra relativa ao centro.

O problema do resfriamento um dos problemas mais complexos no caso deste processo. Se por um lado, quanto mais rpido for o resfriamento maiores sero as chances de obtermos martensita, por outro maiores sero tambm as chances de termos trincas e empenamentos na pea. Alm disso, um resfriamento no homogneo ao longo da superfcie da pea pode tambm causar empenamento e variaes na dureza. Como existe uma variao no volume da pea durante o aquecimento e o resfriamento e tambm devido transformao da estrutura em martensita, quanto maior a diferena entre as velocidades de resfriamento na superfcie e no centro ou em diferentes pontos da superfcie maior ser o empenamento e a possibilidade de aparecimento de trincas. Note-se que a velocidade de resfriamento inicialmente baixa, tornando-se alta apenas para valores intermedirios de temperatura da pea. Inicialmente temos um estgio em que se forma um envelope de vapor em volta da pea que impede a troca de calor

http://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/curva_de_transformacao_tempera.htmhttp://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/curva_de_transformacao_tempera.htmhttp://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/curva_de_transformacao_tempera.htmhttp://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/curva_de_transformacao_tempera.htm

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da pea com o lquido, fazendo com que a velocidade seja baixa. Em um segundo estgio existe a formao de bolhas que entram em colapso rapidamente, permitindo que o fluido entre em contato com a pea e produzindo uma agitao bastante grande do fluido, o que faz com que a velocidade de resfriamento cresa rapidamente. Por fim em um terceiro estgio, a temperatura da pea no mais suficiente para que haja a formao de bolhas e o resfriamento se d apenas por conveco, fazendo com que a velocidade de resfriamento caia novamente.

Outro fato que ocorre freqentemente em peas de formato complicado, como o caso de uma engrenagem, de um eixo com rasgo de chaveta e de outras peas com variaes no relevo, pode ocorrer a variao nas condies de resfriamento na superfcie. Estas condies iro fazer com que a velocidade de resfriamento seja diferente em cada ponto, conduzindo tambm ao aparecimento de trincas, empenamentos ou mesmo pontos moles. Outro problema que pode ocorrer, este mais freqente e mais simples aquele em que temos pequenas diferenas de velocidade de resfriamento entre a superfcie e o centro. Neste caso o que pode acontecer a formao de 100% de martensita na periferia da pea e um teor menor de martensita juntamente com bainita e/ou perlita nas regies mais centrais. O que acontece um decrscimo na dureza em direo ao centro da pea, situao esta que nem sempre pode ser evitada. Esta situao pode ser induzida pelo meio de resfriamento ou pelo tamanho da pea.

De acordo com o que foi acima exposto o meio de resfriamento mais adequado aquele que permite obtermos a maior quantidade possvel de martensita na pea. Assim sendo poderemos ter que resfriar a pea em salmoura, em gua ou mesmo em leo e outros produtos sintticos, estes ltimos para aos de construo mecnica ligados. Para aos de alta temperabilidade como aos para matrizes e ferramentas pode-se utilizar at mesmo o resfriamento ao ar em alguns casos. Quanto maior a temperabilidade menos drstico ter que ser o meio de resfriamento utilizado.

Outro problema associado com o resfriamento para a obteno de martensita a variao de volume. Sempre que temos transformao martenstica teremos uma variao de volume e esta ter efeitos mais importantes quanto maior for a diferena de temperaturas de um ponto para outro.

A diferena de volume entre a estrutura original e a estrutura final martenstica pode conduzir a empenamentos e at mesmo a trincas se as tenses surgidas como conseqncia da variao de volume ultrapassarem o limite de ruptura do material. Quando temos diferenas de velocidade de resfriamento da periferia para o centro, por exemplo, forma-se uma capa de martensita que dura e frgil e que ao aumentar de volume comprime o ncleo. Quando o ncleo por sua vez se transforma, este expande e provoca o aparecimento de tenses sobre a capa externa endurecida, podendo produzir trincas na pea.

http://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/fatores_que_afetam_o_resfriamento.htmhttp://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/perfil_de_durezas_em_barras_de_6140%20H2O.htmhttp://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/efeito_de_varios_meios_de_resfriamento.htmhttp://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/efeito%20do%20tamanho.htmhttp://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/variacao_das_medidas_lineares.htm

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2.8 Revenido

Um dos grandes problemas relacionados com o tratamento trmico de tmpera est relacionado com a baixa ductilidade e a baixa tenacidade do material aps o tratamento. Embora tenhamos um significativo ganho na resistncia mecnica e na dureza, fatores primordiais quando se quer reduzir o peso da pea ou evitar o desgaste superficial, a ductilidade cai quase a zero. Como a utilizao de um ao nestas condies impossvel devido aos riscos de uma falha catastrfica, este problema tem que ser corrigido, o que conseguido atravs do tratamento trmico de revenido.

O revenido um tratamento em que se faz o reaquecimento da pea temperada dentro de uma faixa de temperatura entre 150o C e 600o C geralmente. As peas so aquecidas e permanecem durante um intervalo de tempo suficiente para que ocorram as transformaes necessrias recuperao de parte da ductilidade e tenacidade perdidas, sendo aps resfriadas at a temperatura ambiente. Como consequncia teremos uma perda na resistncia mecnica e na dureza. Quanto mais alta for a temperatura de revenido utilizada ou quanto maior for o tempo de tratamento, maior ser o ganho em ductilidade e tenacidade e maior ser a perda de resistncia e de dureza.

Durante o revenido ocorrem transformaes da martensita que so dependentes da temperatura e que iro influir nas propriedades finais do ao. De acordo com a faixa de temperatura temos transformaes diferentes que conduzem ao que se costuma chamar de estgios ou etapas do revenido. No primeiro estgio, que vai at aproximadamente 200o C, o carbono contido na martensita se precipita formando um carboneto chamado psilon, que no tem a composio da cementita. Em consequncia temos uma reduo no teor de carbono da martensita, obtendo-se como resultado uma estrutura bifsica composta de carbonetos e martensita de baixo carbono. As transformaes nas propriedades no so muito significativas, observando-se apenas pequena reduo na dureza e na resistncia e um pequeno aumento na ductilidade e na tenacidade.

Em um segundo estgio, entre 200 e 400o C, ocorre a precipitao de cementita no contorno das agulhas de martensita. Em decorrncia disso teremos uma continuao da queda na dureza e resistncia, porm a tenacidade no aumentada, pelo contrrio, diminui. Isto o que se chama fragilidade de revenido. A queda na tenacidade se inicia prximo dos 200o C para a maioria dos aos e chega a um mnimo em torno de 350o C, quando ento volta a crescer. Nesta faixa, portanto, no conveniente que se faa o revenido porque, embora tenhamos reduo na dureza e na resistncia, no teremos em contrapartida um aumento de tenacidade.

E uma terceira etapa, que se inicia em torno de 400o C, teremos o aparecimento de um precipitado esferioidal de cementita que ir fazer com que a tenacidade e a ductilidade voltem a crescer, e portanto estaremos novamente em

http://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/efeito_da_temperatura_de_revenido.htmhttp://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/efeito_da_temperatura_de_revenido.htmhttp://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/variacao_da_tenacidade_e_dureza.htmhttp://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/efeito_da_temperatura_de_revenido.htmhttp://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/variao_da_tenacidade_e_dureza.htm

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uma faixa de temperatura em que temos benefcio com o revenido. Este grfico mostra a variao da dureza para vrios aos, note-se que a queda da dureza mais acentuada quanto maior for o teor de carbono.

2.9 Martmpera

O processo de martmpera ou tmpera interrompida um processo utilizado em substituio tmpera quando se deseja diminuir o risco de trincas, empenamentos e tenses residuais excessivas. O tratamento consiste basicamente em se retardar o resfriamento logo acima da temperatura de transformao martenstica, permitindo a equalizao da temperatura ao longo de toda a pea, completando-se aps o resfriamento. A estrutura formada, a exemplo da tmpera, ser martenstica, sendo portanto, dura e frgil.

Temos a representao deste tratamento sobre o diagrama TTT de um ao hipottico. Como pode ser visto este tratamento consiste no refriamento rpido, desde a temperatura austentica, em um meio aquecido, que pode ser leo aquecido, sal fundido ou leito fluidizado, at uma temperatura logo acima da temperatura de transformao martenstica. A pea mantida nesta temperatura at que seja uniformizada a temperatura entre a periferia e o centro e ento resfriado, geralmente ao ar at a temperatura ambiente. Segue-se um revenido que feito nos mesmos moldes do processo de tmpera convencional.

Uma modificao do processo consiste em se fazer o resfriamento at uma temperatura logo abaixo da temperatura de incio da transformao matenstica, estabilizando-se a temperatura e fazendo aps o resfriamento ao ar. Este caso aplicvel a aos de temperabilidade baixa nos quais, se fosse feita a martmpera convencional, teramos a formao de bainita antes que a temperatura estabilizasse.

O principal objetivo da martmpera reduzir a possibilidade de trincas e empenamentos oriundos da transformao martenstica em tempos diferentes ao longo da pea.

Exemplos de aos que podem ser utilizados na martmpera so ABNT 4130, 4140, 4150, 4340, 5140, 6150, 8640 e 52100.

2.10 Austmpera

http://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/efeito%20temp.%20revenido%20dureza%20.htmhttp://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/curva_de_transformacao_martempera.htmhttp://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/curva_de_transformacao_martempera.htm

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O processo chamado de austmpera, consiste basicamente no aquecimento das peas at a austenitizao completa seguido de resfriamento rpido at uma temperatura acima da temperatura de transformao martenstica, numa faixa entre 200 e 400o C, mantendo-se a esta temperatura at que o material se transforme totalmente. A estrutura resultante neste caso ser totalmente baintica. Aps a transformao o material pode ser resfriado at a temperatura ambiente. A velocidade de resfriamento deve ser tal que se impea a transformao de qualquer quantidade de austenita em outro produto e o tempo de permanncia no banho deve ser suficiente para que toda a austenita se transforme em bainita.

O meio de resfriamento mais utilizado uma mistura de sais fundidos que pode ser composto por nitrito e nitrato de sdio e nitrato de potssio. Pode ser tambm adicionada uma pequena quantidade de gua.

O tratamento de austmpera um tratamento trmico usualmente utilizado em substituio tmpera quando se tem por objetivo melhorar as propriedades mecnicas do ao, principalmente a ductilidade e a tenacidade, diminuir a possibilidade de aparecimento de trincas e de empenamentos e ainda melhorar a resistncia ao desgaste e a possibilidade de fragilizao para determinadas faixas de temperatura. As diferenas fundamentais entre a austmpera e a tmpera podem ser vistos na tabela , onde so comparadas as propriedades finais para diversos casos.

Tabela 1 - Propriedades mecnicas para um ao ABNT 1095

Tratamento Trmico Dureza - HRC Tenacidade J Alonga-mento %

Temperado em gua e revenido

52,5 19 ---

Martmpera e revenido

52,8 33 ---

Austmpera 52,5 54 8

Como podemos ver a austmpera propicia uma maior tenacidade e uma maior ductilidade do que a tmpera e a martmpera para uma mesma dureza, alm de diminuir o aparecimento de trincas e de empenamento nas peas.

Embora este tratamento permita propriedades melhores do que a tmpera ele no corriqueiramente utilizado. Isto se deve ao fato de que no so muitos os aos em que podemos utilizar a austmpera. A deciso de utilizar um tratamento ou outro vai depender da posio do joelho da curva TTT, da velocidade de resfriamento, do tempo necessrio para a transformao e da temperatura de incio de formao da martensita. Alm disso, devido baixa

http://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/curva_de_transformacao_austempera.htmhttp://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/curva_de_transformacao_austempera.htm

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velocidade de resfriamento propiciada pelo sal fundido as peas no podem ter grande seco como acontece na tmpera. O seu custo maior devido utilizao de mais equipamento e o tempo de transformao deve ser equivalente ao tempo gasto no revenido ou menor para que seja vivel. Deste modo os aos que so utilizados no processo devem se enquadrar nos seguintes tipos:

- Aos ao carbono com 0,5 a 1,0% de carbono e com um mnimo de 0,6,% de Mn;

- Aos ao carbono com mais de 0,9% de carbono e pouco menos de 0,6 % de Mn;

- Aos carbono com menos de 0,5 % de carbono e com mangans entre 1,0 e 1,65 %;

- Alguns aos ligados com mais de 0,3% de carbono.

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3 ENDURECIMENTO SUPERFICIAL - PROCESSOS TERMOQUMICOS

Os processos de endurecimento superficial so processos que visam a obteno de peas de ao dotadas de uma fina camada superficial de elevada dureza, mantendo ao mesmo tempo um ncleo com dureza relativamente baixa. Como conseqncia teremos uma camada superficial com alta resistncia ao desgaste, alta resistncia a esforos de compresso e alta resistncia fadiga. Em contrapartida, pelo fato de termos um ncleo de dureza baixa, teremos uma pea com boa tenacidade.

Os processos de endurecimento superficial podem ser divididos em duas categorias distintas, aqueles que envolvem alterao da composio qumica da camada superficial (cementao e nitretao) e aqueles que envolvem o rpido aquecimento e a tmpera posterior desta mesma camada (tmpera por chama, tmpera por induo).

3.1 Cementao

O processo de endurecimento superficial de cementao o processo mais utilizado atualmente e tem permanecido praticamente inalterado ao longo do tempo. Este processo geralmente utilizado na produo de pistas e roletes de rolamento, engrenagens, buchas e juntas homocinticas. O mtodo consiste essencialmente no aquecimento da pea envolta em um meio rico em carbono, fazendo com que o carbono difunda para o interior aumentando o teor de carbono da camada superficial.

A principal reao, que ocorre entre o carbono e o ferro, e que a responsvel pela difuso do carbono para o interior da pea, pode ser

representada da seguinte maneira: 3Fe +C Fe3C

Aps a difuso do carbono feita uma tmpera seguida de revenido para que se produza a mxima dureza.

Como o processo envolve a difuso do carbono, necessrio que se d o tempo necessrio para que isto ocorra. Tempos crescentes propiciam maiores espessuras das camadas cementadas. Como conseqncia, teremos um perfil de dureza associado ao perfil de concentrao de carbono. Os aos comumente utilizados possuem 0,10 a 0,25 % C e a temperatura varia entre 900 e 950o C embora possam ser utilizadas temperaturas na faixa de 850 a 1000o C.

http://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/gradiente%20de%20carbon%20e%20perfil.htm

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A mxima dureza atingida depois da tmpera nos aos ao carbono ocorre para um teor de carbono de 0,8%. Para teores superiores a este a dureza cai devido reteno de austenita. Este percentual pode variar para aos que tenham maior tendncia reteno de austenita, como acontece com os aos contendo nquel. Como resultado da reteno da austenita poderemos ter a situao mostrada na figura anterior, em que se tem uma dureza mais baixa na superfcie da pea.

3.1.1 Tratamentos trmicos posteriores

Aps a difuso do carbono na pea necessrio que se faa uma tmpera para que possa ser atingida a mxima dureza possvel em funo do teor de carbono superficial. A maneira como ser executada a tmpera depende das propriedades e do uso que ser feito da pea. Sempre que fazemos a difuso do carbono temos crescimento de gro pela alta temperatura que utilizada e pelo longo tempo de tratamento. Isto pode fazer com que a pea fique com baixa tenacidade. Nestes casos deve ser feito um tratamento para refino de gro. Outro caso aquele em que temos que fazer acabamento da pea por usinagem em que o material deve ter dureza baixa. Para corrigir estas situaes o tratamento deve ser feito em uma ou mais etapas de tal sorte que tenhamos um refino de gro ou uma pea inicialmente de dureza baixa.

Assim sendo, os tratamentos utilizados podem ser os seguintes: - tmpera direta da temperatura de cementao. Tem o inconveniente de no refinar o gro;

- Resfriamento lento seguido de tmpera. Neste caso teremos uma pea com dureza baixa que permite a usinagem, seguindo-se a tmpera sem refino de gro. Como existe uma variao no teor de carbono entre a superfcie e o centro da pea, podemos escolher como temperatura de tmpera uma temperatura logo acima da eutetide em que teremos austenitizao completa da camada superficial e austenitizao incompleta do ncleo ou uma temperatura mais alta em que teremos austenitizao completa do ncleo. - Tmpera direta seguida de tmpera com austenitizao a uma temperatura mais baixa. Permite o refino de gro que ir ocorrer durante o aquecimento, durante a austenitizao do material. A temperatura de austenitizao utilizada pode ser aquela em somente uma parte da camada cementada fique austenitizada, que so as temperaturas prximas da temperatura eutetide, ou temperaturas mais altas em que o ncleo da pea tambm austenitizado. Neste ltimo caso pode haver um pequeno crescimento de gro da camada cementada.

Aps a tmpera pode ser feito um revenido em uma temperatura na faixa de 150 a 220 C.

http://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/dureza_das_ligas.htmhttp://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/dureza_da_camada_cementada_8620.htmhttp://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/dureza_da_camada_cementada_8620.htmhttp://www2.furg.br/projeto/gefmat/material_did/materiais/Vitor/Disciplin/MatCons/ApostTT/Tratamentos%20termicos%20na%20cementacao.htm

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3.2 Nitretao

O processo de nitretao um processo que a exemplo da cementao tambm altera a composio de uma camada superficial do ao. Entretanto, ao contrrio da cementao, a camada nitretada no necessita ser temperada, tendo em vista que os nitretos que se formam j possuem dureza elevada. Isto faz com que no haja o inconveniente do empenamento. Alm disso, a nitretao feita na faixa de temperatura entre 500 e 600 C, o que diminui a possibilidade empenamentos por transformao de fase.

Entre as vantagens da nitretao podemos citar as seguintes:

- alta dureza com alta resistncia ao desgaste;

- alta resistncia fadiga e baixa sensibilidade ao entalhe;

- melhor resistncia corroso;

- alta estabilidade dimensional.

Em princpio qualquer ao pode ser cementado, entretanto, a composio poder fazer variar a dureza final da camada nitretada, como o caso de aos que possuem alumnio, cromo, vandio e molibdnio que apresentam uma dureza final maior.

Nos aos no ligados forma-se preferentemente o nitreto cuja frmula Fe4N e para concentraes mais altas pode ser formado tambm o nitreto . Nos aos ligados ocorre a formao de nitretos complexos dos elementos de liga que aumentam a dureza da camada nitretada.

A camada nitretada tem menor espessura do que a cementada, raramente ultrapassando 0,8 mm, caso contrrio os tempos seriam muito grandes o que torna o mtodo antieconmico.

3.2.1 Mtodos de nitretao

3.2.1.1 Nitretao a gs

Neste processo utilizada amnia que injetada no forno aquecido geralmente a 510 C. Nesta temperatura a amnia se dissocia de acordo com a seguinte equao:

2NH3 2N + 3H2

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Como pode ser visto esta reao libera nitrognio atmico que difunde para o ao,os tempos de tratamento variam entre 12 e 120 horas.

3.2.1.2 Nitretao por via lquida

A nitretao por via lquida o processo em temos um banho semelhante ao utilizado na cementao lquida. Neste banho teremos, ento, cianeto de sdio ou potssio, carbonato de sdio ou de potssio e cloreto de potssio ou de sdio. Este banho contm entre 30 e 40% de cianeto. A dissociao do cianeto se d da seguinte maneira:

2NaCN + O2 2NaCNO

4NaCNO 2NaCN + Na2CO3 + CO + 2N

Normalmente a temperatura utilizada situa-se entre 550 e 570 C. Nesta faixa de temperatura no ocorre a reao de cementao e portanto teremos apenas a adio de nitrognio ao ao. Os tempos de nitretao so curtos, geralmente entre 1 e 4 horas.

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4 LISTA DE EXERCCIOS 4.1 Qual a diferena entre reaes endotrmicas e exotrmicas? 4.2 Porque o ferro pode ser considerado um material alotrpico?

Exemplifique. 4.3 Para que servem os tratamentos trmicos? 4.4 Quais so os fatores que podem determinar o sucesso ou fracasso de

um tratamento trmico?Descreva com suas palavras simplificadamente. 4.5 Simule um grfico simplificado genricamente de Temperatura (T) x

Tempo (t) ilustrando todos os principais fatores que devem ser controlados e/ou observados durante um tratamento trmico conforme o item 2.3.

4.6 Quais so os tratamentos trmicos mais comuns aplicados aos aos? 4.7 Que propriedades podem ser obtidas aplicando-se os seguintes

tratamentos trmicos: a)Recozimento Pleno b)Tmpera c)Esferoidizao d)Martmpera 4.8 O que so processos termoqumicos aplicados aos aos? 4.9 Qual a diferena entre cementao e nitretao? 4.10 Quais so as propriedades mecnicas que podem ser trabalhadas,

obtidas ou melhoradas aplicando-se um processo de cementao em uma pea de ao? D exemplo de peas.

4.11 Quais so as propriedades mecnicas que podem ser trabalhadas,

obtidas ou melhoradas aplicando-se um processo de nitretao em uma pea de ao? D exemplo de peas.

4.12 Explique os procedimentos para realizao de um tratamento trmico

de Esferoidizao. 4.13 Para que serve e quando aplicado o tratamento trmico de

revenimento?

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REFERCIAS

CALLISTER, William D. Cincia e Engenharia de Materiais: uma introduo. Livros Tcnicos e Cientificos Editora S.A. Riio de Janeiro RJ, 2002. SHECKELFORD, James F.; GMES, Alfredo. Introduccin a la cincia de materiales para ingenieros. Editora Prentice Hall, So Paulo SP, 4 ed., 1998.

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Van Vlack. Princpio de Cincia dos Materiais. Traduzido pelo Eng. Luiz Paulo Camargo Ferro. So Paulo: Edgard Blcher Ltda,1977. CHIAVERINI, Vicente. Tecnologia Mecnica. Mc Graw-Hill do Brasil, So Paulo SP, 1914. FRAINER, Vitor Jos. Apostila: Princpios de tratamentos trmicos. Fundao Universidade Federal do Rio Grande RS, 2006.