Aço e Ferros Fundidos Vicente Chiaverini

Capítulo 1 1. Definições O característico polimórfico do ferro e sua facilidade de processamento explicam sua ampla utilização

em todos os setores da Engenharia. Aço é a liga ferro-carbono além de certos elementos residuais resultantes do processo de fabricação. Tipos fundamentais do aço:

• Aço Carbono - Aço de baixo teor de carbono (C<0,2%) - Aço de médio carbono (0,2%<C<0,5%) - Aço de alto teor de carbono (C>0,5%)

• Aço Liga - Aço de baixo teor de liga (Elementos de liga <8%) - Aço de alto teor de liga((Elementos de liga >8%)

2. Alotropia do ferro puro

Ponto de fusão do ferro: 1538ºC. Abaixo desta temperatura, o ferro cristaliza na forma CC(cúbico centrado) e se mantém estável até 1394ºC, é a forma delta Fe(δ).

Aos 1394ºC o ferro sofre uma redisposição espontânea para CFC, é a forma gama Fe(γ). Aos 912ºC o ferro readquire a forma CCC, é a forma alfa Fe(α). Abaixo dos 912ºC não ocorre mais nenhuma forma alotrópica. Aos 770ºC (Ponto de Curie) ocorre um rearranjo não nos átomos, mas nos spins, é a

forma beta.

• DECORAR O DIAGRAMA PAGINA 24 O diagrama de equilíbrio Fe-C não se trata a rigor de

diagrama de equilíbrio estável, pois ocorrem mudanças de fase com o tempo, como a decomposição do Fe3C em ferro e carbono na forma de grafita. O equilíbrio então é metaestável.

• Ponto A - ponto de fusão do ferro puro. • Ponto D (impreciso) - ponto de fusão do Fe3C. • A parte superior do gráfico corresponde às reações que ocorrem do líquido pro sólido; já a parte

inferior corresponde às reações no estado sólido. • Ponto C – indica a presença de uma liga eutética. • Ponto S – ponto eutetóide. Ligas com essa composição são eutetóides. • O ferro puro apresenta-se até 912 ºC sob a forma alotrópica alfa (reticulado cúbico de corpo centrado)

e de 912 ºC a 1394 ºC sob a forma gama (reticulado cúbico de face centrada). O ferro gama pode manter em solução o carbono (austenita) e o ferro alfa, não.

• O carbono afeta a temperatura de transformação alotrópica gama-alfa no resfriamento: o aumento de carbono abaixa a temperatura de transformação até que para 0,77% de carbono ela é de 727 ºC. Abaixo de 727 ºC, nas condições de resfriamento lento, nunca existirá ferro gama ou austenita.

• Em teores muito baixos de carbono se verifica as fases gama e alfa. • Ponto E - o teor de carbono de 2,11% separa os aços dos ferros fundidos. • À medida que o esfriamento prossegue, separa-se cada vez mais ferrita. A 727 ºC o aço consistirá de

ferro alfa ou ferrita e de uma certa quantidade de austenita residual com teor de carbono de 0,77%. • Como a transformação gama-alfa ao ser atingida a temperatura de 727 ºC é brusca e repentina, o ferro

alfa e o carbono na forma de Fe3C (cementita) não assumem posições perfeitamente distintas; formam lâminas delgadas distribuídas alternadamente: é a perlita (linhas escuras são cementita e linhas claras são ferrita).

Finalmente um aço eutetóide, depois inteiramente solidificado, não sofrerá qualquer

transformação até atingir a temperatura de 727ºC, momento em que toda austenita passara bruscamente a perlita.

Em resumo, a constituição estrutural à temperatura ambiente das ligas ferro-carbono de 0% até 2,11% de carbono, esfriadas lentamente a partir de temperaturas acima da zona crítica é a seguinte:

• Ferro comercialmente puro – ferrita • Aços hipoeutetóides (até 0,77% de C) – ferrita e perlita • Aços eutetóides (0,77% de C) – perlita • Aços hipereutetóides (0,77 a 2,11% C) - perlita e cementita

3. Propriedades dos constituintes dos aços e sua influência sobre suas características mecânicas

A austenita, nos aços-carbono comuns, só é estável acima dos 727ºC; consta de uma solução sólida de carbono no ferro gama e apresenta uma estrutura de grãos irregulares. Possui boa resistência mecânica e apreciável tenacidade. Não é magnética.

A ferrita é ferro no estado alfa contendo traços de carbono. Apresenta estrutura de grãos

irregulares, baixa dureza e baixa resistência à tração, mas excelente resistência ao choque e elevado alongamento.

A cementita é o carbono do ferro Fe3C contendo 6,67% C. Dura, quebradiça é responsável pela elevada dureza e resistência dos aços de alto carbono, assim como como pela sua menor ductilidade.

A perlita é a mistura mecânica de 88,5% de ferrita e 11,5% de cementita, na forma de lâminas finas dispostas alternadamente. Suas propriedades são intermediárias às da ferrita e da cementita. A transformação da austenita em perlita começa nos contornos de grãos e prossegue em direção ao seu centro. Os contornos de grãos não são as únicas localizações de átomos de energia mais elevada, pois os átomos em torno dos defeitos “em ponto” ou “em linha” apresenta tb energia extra e podem servir de localização para a nucleação de reações. O ferro comercialmente puro, constituido só de ferrita, apresenta-se mole, ductil, pouco resistente à tração e com alta resistencia ao choque. Á medida que o teor de carbono cresce, aumentam os valores representativos da resistência mecânica, isto é, o limite de escoamento, o limite de resistência à tração e à dureza, ao passo que caem os valores relativos à ductilidade, como alongamento, estricção e resistência ao choque. Alta dureza e consequentemente excessiva fragilidade de cementita podem, após uma certa quantidade, afetar desfavoravelmente a resistência mecânica do aço.

4. Efeito dos elementos de liga sobre o diagrama de equilíbrio Fe-C

O ferro existe em duas formas alotrópicas – alfa e gama – estáveis e diferentes temperaturas. Essas formas se caracterizam por poderem manter em solução sólida , dentro de ampla faixa de teores, vários elementos de liga que podem participar da composição dos aços. As diferentes solubilidades dos vários elementos de liga nessas duas formas alotrópicas do ferro levam a modificações nas faixas de temperaturas em que ocorrem as transformações estruturais dos aços.

CAPÍTULO 2

Os constituintes resultantes da transformação por esfriamento lento de austenita: perlita, ferrita

e cementita, de acordo com sua quantidade relativa permitem uma variação nas propriedades mecânicas dos aços. A formação da ferrita e da cementita exige a mudança do reticulado cristalino do ferro, assim como o movimento de átomos por difusão, através da austenita sólida. Se for aumentada a velocidade de esfriamento, não haverá tempo para uma completa movimentação atômica e as reações de modificação da austenita se modificam, podendo deixar de formar-se constituintes normais e surgirem novos constituintes.

Quando se aumenta a velocidade de esfriamento da austenita no diagrama Fe-C, a posição da zona crítica abaixa, mostrando um atraso no início das transformações. Por exemplo, para o aço eutetóide cuja temperatura crítica é de 727ºC em condições de esfriamento lento, abaixo dessa temperatura tem-se só perlita. Mas em condições de esfriamento cada vez mais rápido, a temperatura crítica é cada vez menor e aparece além da perlita, a martensita. Dentro de uma faixa de velocidade há formação de perlita e martensita, porém para uma certa velocidade de esfriamento (velocidade crítica de esfriamento) pára-se de formar a perlita, ficando somente a martensita.

A transformação isotérmica da austenita em perlita obedece a uma curva de reação isotérmica. O estudo experimental para os diagramas de transformação isotérmica consiste em aquecer corpos de prova de aço de pequenas dimensões a uma temperatura acima da zona critica de modo a adquirirem uma estrutura inteiramente austenítica, em seguida mergulhá-los em um banho liquido (de chumbo fundido ou sal fundido) a uma temperatura abaixo da linha inferior da zona critica e aí mantê-los por determinado tempo para se observar as transformações ocorridas com a austenita.

Ver gráfico página 43. Decorrido o tempo desejado os corpos de prova são mergulhados em água ou salmoura e as

propriedades são medidas ou as estruturas são observadas. No caso do aço eutetóide verifica-se que as amostras mostram quantidades crescentes de perlita

para tempos crescentes de permanência na temperatura constante. No diagrama “temperatura-tempo”, marca-se para cada temperatura os pontos de inicio de

transformação de austenita (0,5% de perlita) e os pontos de fim de transformação (99,5% de perlita). Esses pontos formam as curvas em “C” ou “TTT”. Com o diagrama para o aço eutetóide (ver página 45) podemos observar que a velocidade de transformação é baixa inicialmente; à temperatura cerca de 200ºC inicia-se a formação de martensita (linha Mi) e termina em Mf.

Constituintes resultantes da transformação da austenita em ordem de formação: • Perlita lamelar: granulação grosseira e baixa dureza; • Perlita fina: lamelas finas e dureza entre 30 e 40 Rockwell C; • Bainita: ferrita em forma de pena ou carboneto de ferro muito fino com dureza entre 40 e

60 Rockwell C; • Martensita: formação depende exclusivamente da temperatura e tem coloração mais clara

(chamada também de acicular). A formação da martensita ocorre por uma reação por cisalhamento, através de planos

cristalográficos, de modo tão rápido que não pode ser evitada mesmo por resfriamento rápido. Este resfriamento rápido transforma em alfa a forma alotrópica do ferro, a qual retém as lâminas estreitas e alongadas de austenita provenientes do cisalhamento, desenvolvendo-se tensões internas. A martensita apresenta um reticulado tetragonal e sua dureza é muito elevada devido às tensões internas, ao tamanho de grão muito pequeno.

Curvas TTT para aços hipoeutetóides e hipereutetóides: No caso de aços hipoeutetóides ocorre a separação da ferrita quando o aço entra, durante o

esfriamento lento, na zona crítica. Já para os aços hipereutetóides ocorre a separação da cementita quando esse aço entra na zona crítica.

O aumento do teor de carbono retarda o inicio e o fim da reação para a formação de bainita, além disso, a temperatura de reação da martensita é rebaixada com o aumento do teor de carbono.

Transformação em resfriamento contínuo: A maioria das operações de tratamento térmico envolve transformações que ocorrem em

resfriamento continuo. Assim o diagrama para resfriamento contínuo leva a um deslocamento para a direita e para baixo das partes superiores das curvas de inicio e de fim de transformação, em relação às curvas isotérmicas (Ver Fig. 21 página 46). O diagrama indica em linhas potilhadas a parte inferior do diagrama, porque, para resfriamento continuo, uma vez ultrapassadas as curvas de inicio e de fim de transformação numa determinada velocidade de resfriamento, as transformações já se completaram.

Na Fig. 22 (página 47) tem-se um resfriamento a varias velocidades. Observa-se que: um aço resfriado muito lentamente (no forno), apresenta perlita grossa e de baixa dureza; com resfriamento um pouco mais rápido (no ar) apresenta perlita mais fina e de dureza mais elevada e assim por diante. Até que ocorre um resfriamento tão rápido que não há transformação de austenita em um produto lamelar mas simplesmente passagem a martensita.

A velocidade crítica de têmpera é a menor velocidade de esfriamento que produzirá estrutura inteiramente martensítica. Nota-se também que a bainita só é obtida em tratamento isotérmico.

Portanto quando se visa obter a máxima dureza deve-se procurar produzir a estrutura martensítica, ou seja, escolher o tratamento térmico com resfriamento rápido. Quando se visa o mínimo de dureza deve-se escolher resfriamento lento para se obter estrutura perlítica.

Velocidades maiores de esfriamento podem ocasionar tensões internas excessivas, empenamento das peças e até mesmo aparecimento de fissuras. Isso significa que, ou devem ser sacrificadas as propriedades finais do aço mediante um tratamento térmico com esfriamento menos drástico, ou se deve procurar um aço que possibilite obtenção da máxima dureza com menor velocidade de esfriamento.

Efeito da secção da peça: A velocidade de esfriamento é afetada pela secção da peça, pois é obvio que o interior das peças

se esfria mais lentamente que a sua superfície. A diferença é tanto maior quanto maior a velocidade de esfriamento e quanto maior a secção da peça.

Esse fato é melhor evidenciado através dos exemplos na página 49. Em água ou salmoura (resfriamento rápido), a superfície esfriou com velocidade superior à

velocidade critica de esfriamento, a superfície adquiriu inteiramente estrutura martensítica (dureza elevada) e o centro adquiriu estrutura perlítica e martensítica (menor dureza). Em óleo (resfriamento pouco mais lento) só a superfície passou parcialmente a estrutura martensítica e no ar (resfriamento lento) nem mesmo a superfície. Se a secção da peça for maior, mesmo em água o centro não forma martensita nem parcialmente, isto é, o centro não endurece.

III- Fatores que afetam a posição das curvas do diagrama TTT. Endurecibilidade ou temperabilidade

1- Fatores que influem na posição das curvas TTT -Tamanho de grão da austenita; -Homogeneidade da austenita; -Composição química: ►Teor de carbono; ►Elementos de liga*; *Todos elementos de ligar, exceto o cobalto, deslocam as curvas para a direita, isso se dá pois: -Praticamente todos elementos de liga se dissolvem na austenita; -Tendência diversa na zona crítica, durante o esfriamento; alguns tendem a ficar dissolvidos no ferro (α) e outros tendem a formar carbonetos(como o ferro)

No esfriamento, os elementos de liga, ao entrarem na zona crítica, seguem a sua tendência.

Quanto mais elementos de liga, mais tempo para as reações começarem e terminarem, esse fato ocasionará o deslocamento da curva para a direita, atrasando as transformações da austenita (Fe γ). Esse deslocamento facilita a obtenção, por esfriamento, da estrutura martensítica. Os elementos de liga afetam não somente a parte isotérmica do diagrama mas também a formação de martensita. Em alguns casos, como em aços cementados com alto teor de carbono e níquel ou cromo em teores variáveis, não se pode ter formação completa da martensita à temperatura ambiente pelo resfriamento comum, nesse caso, à temperatura ambiente temos austenita retida ou austenita residual. Em relação ao tamanho de grão de Fe γ, quanto maior, mais para a direita as curvas são deslocadas, atrasando a formação de perlita, que começa a se formar a partir dos contornos de grãos de Fe γ(↑grão ↑tempo de transformação). Os aços com tamanho de grão grande apresentam mais facilmente estrutura martensítica no resfriamento, contudo isso não pode ser considerado vantagem.

Dada essa grande importância do tamanho do grão, ela deve ser especificada nos

diagramas TTT, e controlada durante o processo do tratamento térmico. O controle é feito por adição de baixos teores de elementos de liga, por exemplo: Alumínio(Al), Titânio(Ti), Zircônio(Zr), Vanádio(V) e Nióbio(Nb). Homogeneidade – Quanto menos homogênea a austenita(mais carbonetos residuais ou áreas ricas em carbono), mais rápida é o inicio da reação. Os carbonetos residuais atuam como núcleos para a formação de perlita, acelerando a transformação da austenita.

2- Austenita retida ou residual a. Composição química;

i. Teor de carbono

ii. Elementos de liga

b. Temperatura de austenização; (↑Taustenização ↓linha Mi)

c. Estabilização da austenita.

i. Resfriamento

1. Velocidade de resfriamento;

2. Interrupção do resfriamento.

ii. Reaquecimento

A principal causa da retenção é a composição química dos aços. O carbono é o elemento mais significativo, pois abaixa a linha Mi de início de formação da martensita.O mesmo ocorre com a linha Mf. Por esses fatores, quantidades cada vez maiores de austenita não transformada (austenita retida ou residual) podem ser encontradas a temperatura ambiente junto com a martensita, à medida que se aumenta o teor de carbono. Os elementos de liga, exceto o cobalto, tendem a aumentar a quantidade de austenita retida a quaisquer quantidades de carbono.

Na estabilização da austenita, os elementos de liga mostra tendência variável.

A austenita retida é instável e pode ser transformada em martensita; isso pode causar mudanças dimensionais inesperadas, fragilizacao ou fissuração

3- Endurecibilidade ou temperabilidade

-Temperabilidade (profundidade de endurecimento)

-Busca a máxima dureza e máxima tenacidade;

-Depende de:

-Tamanho do grão de austenita

-Presença de elementos de liga 4- Avaliação de temperabilidade

-Velocidade crítica de esfriamento: permite a obtenção de martensita sem transformação anterior da austenita. É um critério e prático, porém com restrição.

-Profundidade de endurecimento: Por uma barra de diâmetro ideal (no qual a peça inteira tem o mesmo resfriamento instantaneamente) é feito um padrão, que é usado para medir a profundidade de endurecimento.

5- Medida de Temperabilidade

Método de Grossmann e Método de Jominy

5.1 Métodos de Grossmann Consiste em resfriar, a partir do estado austenítico, uma série de barras cilíndricas de diâmetros crescentes em condições controladas de esfriamento. A seguir as barras são quebradas e mede-se a dureza em toda a secção transversal. Permite determinar a profundidade a que o aço endurece através da dureza e estruturas resultantes. Diâmetro Crítico (Dc) = diâmetro da barra que, esfriada da temperatura austenítica, mostrará no centro 50% de martensita. Portanto se:

Diâmetro da barra = Dc � Núcleo central com 50% de martensita. Diâmetro da barra > Dc � Núcleo central incompletamente endurecido. Diâmetro da barra < Dc � Núcleo central completamente endurecido ou martensítico.

O Dc pode ser facilmente determinado, já que a separação da zona que predomina a martensita da

zona que predomina a perlita tem queda brusca de dureza.

5.2 Métodos de Jominy ( ou ensaio do resfriamento da extremidade) Mais utilizado e padronizado pela ASTM , SAE, AISI e ABNT. Um corpo de prova cilíndrico de 1” de diâmetro por 4” de comprimento é aquecido até a temperatura austenítica. Em seguida dirige-se um jato d’água com pressão, temperatura e quantidade controladas, contra uma de suas extremidades. Depois de esfriado, corta-se longitudinalmente o corpo de prova, retifica as duas superfícies opostas e paralelas e mede-se sua dureza a distancias variáveis a partir da extremidade que recebeu o jato. O Diâmetro crítico (Dc) pode ser achado em função do Diâmetro Ideal (Di) através de gráficos.

6- Fatores que afetam a temperabilidade Tamanho de grão austenítico, homogeneidade da austenita e composição química.

A- Fatores que diminuem a temperabilidade: a) Granulação fina de austenita b) Inclusões não dissolvidas

- carbonetos (ou nitretos) - inclusões não-metálicas

B- Fatores que aumentam a temperabilidade:

a) Elementos dissolvidos na austenita b) Granulação Grosseira da austenita c) Homogeneidade da austenita

Os fatores de A aceleram a nucleação e os fatores de B retardam a nucleação e o crescimento de

produtos de transformação. Elementos de liga são a influencia mais importante. Aumento da temperabilidade depende do elemento, na seguinte ordem ascendente: níquel, silício, manganês, cromo, molibdênio, vanádio e boro.

7- Importância prática da temperabilidade Faixas de temperabilidade: limites mínimos e máximos para temperabilidade. Aços especificados

pela temperabilidade são denominados aços H (hardenability). Gráficos de faixa de temperabilidade permitem estimar o valor da dureza em vários pontos de

endurecibilidade do corpo de prova e comparar a dureza entre aços. A presença de carbono aumenta a dureza e temperabilidade dos aços, mas em qtdades elevadas

diminui e tenacidade, forma microestruturas mais duras dificultando operações de deformação a frio ou induzir empenamentos e fraturas em operações de tratamento térmico. Teor recomendado em torno de 0,5% de C.

O meio mais econômico de aumentar a endurecibilidade do aço através de elementos de liga é adicionar manganês.

8- Novo método de traçado de curvas de resfriamento

Gráfico permite perceber a capacidade de endurecimento dos aços de acordo com o meio de resfriamento utilizado. Obs.: - curvas correspondem só ao centro de uma barra, mas outras posições podem ser deduzidas - curvas se referem a composições médias dentro de uma certa especificação

Capítulo 4

1- Introdução O tratamento térmico tem como objetivo alterar as propriedades dos aços através de operações de aquecimento e resfriamento, sob condições controladas de temperatura, tempo (de permanencia em determinada temperatura), atmosfera do recinto. Dentre as principais transformções, podem-se citar : aumento de resitência mecânica, à corrosão, ao desgaste; melhoria de ductibilidade, da usinabilidade e das propriedades de corte; modificação de propriedades elétricas e magnéticas. No entanto, é necessário que o processo seja aplicado criteriosamente já que a melhora de uma propriedade pode influenciar na piora de outra. Pelo simples aplicação de tratamentos térmicos, não se verifica alteração na composição química, embora em casos em que se interessa uma modificação parcial de certas prorpiedades mecânicas O grau de transformação das propriedades de determinado aço depende diretamente de sua estrutura. Tem-se como exemplo as tranformações na austenita segundo o tipo, a velocidade e as condições de esfriamento adotadas. Vale destacar a importância dos tratamentos térmicos para aços de alto carbono e para os que apresentam elementos de liga, já que são obrigatoriamente submetidos a esse processo antes de serem colocados a serviço.

2- Fatores de influencia nos tratamentos térmicos Aquecimento : Geralmente realizado a uma temperatura acima da crítica, a fim de obter a completa austenitização

do aço (ou seja, dissolução do carboneto de ferro no ferro gama). Esta é o ponto de partida para as tranformações posteriores, sendo processadas em função da velocidade de esfriamento.

A temperatura de aquecimento é relativamente fixa de acordo com a natureza do processo e com as propriedades e estruturas finais desejadas. Quanto mais alta essa temperatura (acima da zona crítica), maior segurnaça da completa dissolução das fases no ferro gama; ao mesmo tempo, maior será o grão de austenita, o que acarreta mais desvantagens se comparado às desvantagens de não se ter dissolução total em ferro gama.

Tempo de permanência às temperatura de aquecimento:

Influencia assim como a temperatura de aquecimento; quanto mais longo o tempo à temperatura de austenitização, mais completa a dissolução do carboneto de ferro no ferro gama, e maior o grão resultante. Um temperatura ligeiramente mais elevada é mais vantajosa que um tempo mais longo à temperatura inferior, de modo que possibilitamaior uniformidade através de toda secção do aço.

Resfriamento: Fator mais importante, pois determinará a esttrutura e as propriedades finais. De acordo com a variação da velocidade de resfriamento, pode-se obter desde perlita grossa de baixa resitência mecânica e baixa dureza até a martensita (que é o constituinte mais duro resultante dos tratamentos térmicos). Meios usuais: ambiente do forno, ar e meios líquidos, respectivamente do mais brando para o mais drástico. O meio a ser escolhido está diretamente relacionado à estrutura final desejada, à secção e à forma da peça. Isso deve-se à possivel ocorrência de consequências inesperadas tais como empenamento e ruptura da peça, caso uma peça seja submetida a um resfriamente mais drástico do que o conveniente para sua secção. Os meio mais comumente utilizados são soluções aquosas, água, óleo e ar. Além disso, pode-se relatar que os mais drásticos são as soluções aquosas e sua eficácia é devido a ação de remover a casa de óxido superficial além da menor tendência de formar vapor na superfície do aço; e que há diferença no comportamento dos diferentes tipos de óleo (devido a diferença de viscosidade). De acordo com propriedades esperadas, tem-se a necessidade de usar meios de refriamento cada vez menos severo, implicando na escolha de aços com temperabilidade cada vez maior de modo a evitar empenamento ou fissuras. Pode-se mencionar meios ainda menos drásticos do que água aquecido e ar, são banhos de sal e banhos de metal fundido (o mais comum é o chumbo). Os banhos de sal são utilizados na têmpera de aços rápidos, de modo a permitir um resfriamento uniforme e rápido nas faixas de altas temperaturas, onde o refriamento é mais crítico. A fim de obter velocidades de resfriamento superiores às obtidas em ar tranquilo e inferiores às ontidas em óleo, outro meio utilizado na indústria moderna é representado por gás. Atmosfera de forno: Nos tratamentos térmicos dos aços, deve-se evitar basicamente a oxidação (resulta na formação de casca de óxido) e a descarbonetação (pode formar camada mais mole na superfície do metal). Agentes descarbonetamtes usuais

Estes fenomenos podem ser evitados pelo uso de uma atmosfera protetora ou controlados no

interior do forno, o que garante uma superfície uniformemente dura e resitente ao desgaste. As atmosféras mais comuns são obtidas pela combustão total ou parcial de carvão, óleo ou gás., e

podem apresentar oxigenio, nitrogênio, vapor d`água, hidrocarbonetos, etc. 3- Recozimento É o tratamento térmico que tem entre os objetivos : diminuir dureza para melhorar usinabilidade

do aço, ajustar tamanho de grão, regular textura bruta de fusão, produzir microestrutura definida, etc.

3.1- Recozimento total ou pleno: Consiste no aquecimento do aço acima da zona crítica (durante tempo necessário), seguido de um resfriamento muito lento (com uma velocidade de resfriamento em relação ao forno ou deixando que o aço resfrie junto com ele). A temperatura de recozimento pleno é +ou- 50 graus acima do limite superior da zona crítica para aços hipoeutetóides e acima do limite inferior para os hipereutetóides. Para esses aços, não se deve ultrapassar a linha superior pois ao atravessar novamente essa linha num refriamento, formar-se-ia nos grãos de austenita, um invólucro frágilde hidrocarbonetos, coferindo extrema fragilidade aos aços. Já na normalização, por ocorrer ao ar o refriamento, não se tem formação desse invólucro de carbonetos, de modo que seu auqecimento pode ser levado a temperatura acima da linha superior da zona crítica. Os constituintes estruturais que resultam do recozimento são perlita e ferrita para aços hipoeutetóides, cementita e perlita para os aços hipereutetóides e perlita para os aços eutetóides. A influência da temperatura de aquecimento no recozimento sobre as propriedades mecânicas dos aços está indicada na figura 55 (abaixo), relativa a um aço 0,4% de carbono, no estado ligeiramente encruado.

Deste modo, pode-se perceber que de acordo com o aumento da temperatura, a ductibilidade melhora e a resitência mecânica diminui; o máximo efeito é obtido ao atingir-se o limite superior da zona crítica e a resitência é pouco afetada ao ser ultrapassada novamente, contando ainda com o acentuado crescimento de grão, o qual deve ser evitado ao deixar de utilizar aquecimentos muito além do limite superior da zona crítica.

3.2 Recozimento isotérmico ou cíclico É o aquecimento do aço nas mesmas condições que para o recozimento total. Depois o aço é resfriado rapidamente até uma temperatura dentro da porção superior do diagrama de transformação isotérmico, até se produzir a transformação completa. O esfriamento pode ser apressado como mostra o diagrama da figura 57.

Os produtos resultantes desse tratamento térmico são perlita e ferrita, perlita e cementita ou só perlita. O tratamento pode ser encurtado de modo que o tratamento seja muito prático para casos em que se queira tirar vantagem do resfriamento rápido desde a temperatura de transformação e desta para a temperatura ambiente. No entanto, para peças grandes o recozimento isotérmico não é vantajoso sobre o pleno, pois a velocidade de resfriamento no centro pode ser baixa.

3.3 Recozimento para alívio de tensões ou sub-crítico É o aquecimento do aço a temperaturas abaixo do limite inferior da zona crítica com o objetivo de aliviar as tensões de solidificação ou de operações de transformação mecânica a frio ou de endireitamento. Tais tensões começam a ser aliviadas a temperaturas logo acima da ambiente, mas para garantir bons resultados, é aconselhável chegar lentamente aos 500 ºC. Mas também não se deve aumentar muito a temperatura a ponto de alterar as estruturas internas e as propriedades mecânicas.

O resfriamento, geralmente é ao ar.

3.4 Esferoidização É o aquecimento e resfriamento em condições a produzir uma forma globular ou esferoidal de carboneto no aço para melhorar a usinabilidade e trabalhabilidade a frio os aços (principalmente os de médio a alto teor de carbono). Feita em aços de baixo carbono tem por objetivo permitir deformação severa, pois o aço fica extremamente mole e viscoso.

3.5 Recozimento em caixa Tratamento de proteção do aço contra oxidação ou outro efeito típico de tratamento térmico. Em chapas e tiras de aço produz uma estrutura ferrítica recristalizada depois da laminação a frio. O aquecimento pode ser intermitente ou contínuo. Nos fornos intermitentes, bobinas de chapas são colocadas nos fornos e cobertas por uma capa e isso pode durar vários dias. No recozimento contínuo, chapas desbobinadas passam por câmaras de aquecimento e resfriamento em poucos minutos (ordem de 750 ºC a 850 ºC por 2 minutos); resfriamento rápido até 400 ºC ; as peças são submetidas por um superenvelhecimento (revenido) para reduzir a concentração de carbono dissolvido, melhorando a ductilidade e resistência ao envelhecimento ; resfriamento rápido até temperatura ambiente.

4.Normalização É o aquecimento do aço a uma temperatura acima da zona crítica, seguido de resfriamento ao ar tranqüilo.

Visa refinar a granulação de peças de aço fundido e de peças depois de laminadas ou forjadas. É tratamento preliminar à têmpera e ao revenido. Produz estrutura uniforme, reduz a tendência ao empenamento, facilita a solução de carbonetos e elementos de liga. Os constituintes resultantes da normalização são ferrita e perlita fina, ou cementita e perlita fina. Dependendo do aço, bainita.

Aços-liga hipereutetóides são normalizados para eliminação total ou parcial dos rendilhados de

carbonetos que caracterizam suas estruturas. 5. Têmpera Consiste no aquecimento do aço até sua temperatura de austenitização – entre 815ºC e 870ºC -

seguido de resfriamento rápido.

Os meios de resfriamentos dependem da endurecibilidade dos aços,da forma e dimensões da peça

submetidas a têmpera, porque o objetivo desta operação é a obtenção da martensita.Os meios mais comuns de resfriamento são líquidos ou gasosos. -líquidos: água, água com sal ou aditivos cáusticos, óleo(aditivos),soluções aquosas de polímeros -gasosos: ar, gases inertes(N,He, Ar)

• Têmpera direta: processo mais usado, resfriamento rápido em meio apropriado • Têmpera em tempo variável: utilizada quando a velocidade de resfriamento deve ser

repentinamente mudada (aumento ou diminuição). • Têmpera seletiva: consiste em temperar-se apenas determinadas secções das peças • Têmpera em vapor: neblina para diminuir a velocidade de resfriamento. • Têmpera interrompida: inclui processos de austêmpera e martêmpera.

Objetivos desta operação: dureza do aço e sua resistência a tração Resultantes:redução de ductilidade, tenacidade e aparecimento de tensões internas Fatores influentes:velocidade de resfriamento,secção das peças

6. Revenido O revenimento é o tratamento térmico que normalmente sempre acompanha a têmpera, pois elimina a maioria dos incovenientes produzidas por esta; além de aliviar ou remover tensões internas, corrige as excessivas dureza e fragilidade do material, aumentando sua ductilidade e resistência ao choque

O aquecimento da martensita permite a reversão do reticulado instável ao reticulado cúbico centrado, produz reajustamentos internos que aliviam as tensões, e além disso, uma precipitação de partículas de carbonetos que crescem e se aglomeram, de acordo com a temperatura e o tempo. A temperatura do revenido pode ser escolhida de acordo com a combinação de propriedade mecânicas que se deseja no aço temperado.

Na operação de revenimento não importa só a temperatura do tratamento importa também o tempo

de permanência a temperatura considerada.

6.1 Fragilidade do Revenido

Diversos aços, principalmente aços liga, caracterizam-se por adquirirem fragilidade, quando são aquecidos na faixa de temperatura 375-575ºC ou quando são resfriados, lentamente através desta faixa.A fragilidade ocorre mais rápido na faixa de 450-475ºC.Os aços carbono comuns contendo manganês abaixo de 0,30% não apresentam o fenômeno. Os aços que se tornaram frágeis podem voltar ao seu normal e ter tenacidade por assim restaurada, pelo aquecimento em torno de 600ºC ou acima, seguido de resfriamento rápido, abaixo de aproximadamente 300ºC.

6.2 Transformação da austenita retida Dependendo da composição do aço, pode-se ter à temperatura ambiente uma certa quantidade de austenita residual.A transformação dessa austenita residual é realizada por intermédio de diversos procedimentos Uma das mais importante é o revenido. O chamado “2º estágio de revenido”-entre 200 e 300ºC- transforma a austenita retida em ferrita e cementita.

7.Coalescimento Qualquer tratamento capaz de produzir esferoidita(figura 71).Esse tratamento é aplicado principalmente em aços hipereutéticos e pode consistir nas seguintes operações:

• Aquecimento prolongado de aços laminados ou normalizados a uma temperatura logo abaixo da linha inferior da zona crítica;

• Aquecimento e resfriamento alternados entre temperaturas logo acima e abaixo da zona crítica, ou seja, fazer a temperatura oscilar em torno da zona crítica.

Resultado: Dureza muito baixa, normalmente inferior à da perlita grosseira, obtida no recozimento. Objetivos: Facilitar certas operações de deformação a frio e usinagem de aços de alto teor de carbono.

Capitulo 5 - Austêmpera martêmpera e outros tratamentos térmicos

2- Austêmpera Tem substituído em muitas aplicações a tempera e o revenido, esse tratamento aproveita as

transformações da austenita que podem ocorrer a temperaturas constantes, por isso a austêmpera é um tratamento isotérmico.

Da austêmpera surge a bainita que é equivalente e até mesmo superior a estruturas martensiticas revenidas, e como na austêmpera não tem formação direta de martensita evita-se os inconvenientes dessas estruturas obtidas com o revenido.

Seqüência de operações para se obter austêmpera: • Aquecimento dentro da faixa austenitica (790° a 915°) • Resfriamento num banho a temperatura constante (260° a 400°) • Permanência no banho acima para, isotermicamente, transformar austenita em bainita • Resfriamento em temperatura ambiente

Vantagens da austêmpera:

• Melhor ductilidade, tenacidade e resistência para uma determinada dureza. • Empenamento reduzido.

A grande vantagem da austêmpera sobre o revenido comum é que a bainita se forma direto da

austenita a temperatura muito mais alta que a martensita. Com isso as tensões internas são menores, conseqüentemente não há praticamente distorções ou empenamento e é erradicada a existência de fissura de tempera.

Aços mais comuns para a austêmpera: • Aço carbono, 0,50% < C < 1,00% e no mínimo 0,60% de manganês • Aço carbono, C > 0,90% e um pouco menos de 0,60% de manganês. • Aço carbono, C < 0,50% e 1,00 < Manganês < 1,65% • Aço liga, C > 0,30% e baixo teor de liga.

Motivos para outros aços não serem usados na austêmpera:

• Transformação no cotovelo da TTT começa num tempo inferior a 1 segundo, tornando impossível o resfriamento sem a formação de alguma perlita.

• O tempo para transformar austenita em bainita é muito longo (ex – aço 9261 leva 24h).

O aço 1080 máxima secção para a austêmpera é 5mm.Aços de menores teor de C permitem proporcionalmente uma menor secção.Certos aços ligas permitem no Max 25mm.Caso seja permitido a presença de perlita, secções bem maiores poderão ser usadas.

O banho de austêmpera indicado é o sal fundido, constituído de nitrato de sódio seja permitido e potássio e eventualmente nitrato de sódio (transfere calor rapidamente). Esse banho evita o problema de uma barreira de vapor durante o inicio do resfriamento, é estável e solúvel em água.

A figura acima mostra claramente o aspecto bainítico de um aço austemperado. Estruturas bainíticas se mostram vantajosas na faixa de dureza Rockwell C50 ou acima, na faixa

40RC a 45RC a martensita revenida é superior, já na faixa 60RC a 65RC a bainita não pode ser obtida. A austêmpera com 100% de bainita só pode ser obtida em barras de pequenos diâmetros e

pequenas tiras com tenacidade excepcional e dureza próxima a 50RC. Entretanto, também é importante as propriedades que a austêmpera produz mesmo se ser inteiramente bainitica. Assim na indústria é comum a aplicação com menos de 100% de bainita.

A bainita apresenta algumas variações. A chamada bainita superior em aços hipoeutetóides apresenta-se como pilhas de tiras ou agulhas de ferro. O excesso de C que resulta da transformação da austenita fica acumulado nessa austenita, sendo que parte desta, com muito C, fica presa entre as tiras, com a manutenção do aço à temperatura bainitica ocorre precipitação do carbono da austenita, na forma de cementita, resultando um agregado não-lamelar de ferrita e cementita, o qual constitui a bainita.

A bainita inferior forma-se na temperatura abaixo de 350°, no lugar das tiras de ferrita surgem placas. A fase de C que se forma inicialmente é a épsilon e não a cementita mais depois o épsilon muda para cementita.

3- Martêmpera

Representa o tratamento martêmpera. Esse tratamento constitui em uma tempera interrompida na temperatura austenitica, de modo a

retardar o resfriamento do aço logo acima da transformação martesitica. Com essa técnica diminui-se a probabilidade de empenamento ou distorção das peças e de defeitos causados por resfriamento rápido.

Seqüência de operações: • Aquecimento a temperatura de austêmpera. • Resfriamento num meio fluido quente (óleo, banho de sal ou leite fluidizado) • Manutenção desse meio até a uniformidade da temperatura em toda a peça • Resfriamento moderado

Ao contrário da austêmpera no processo da martêmpera após o processo as peças são submetidas a

uma operação comum de revenido. Alem dos empenamentos a martêmpera também da um controle dimensional melhor do que a tempera e também se tem um numero menor de tensão residual. Geralmente os aços ligas apresentam melhores condições de serem martemperados.

Há um processo de martêmpera que é chamado de martêmpera modificada que ocorre a uma temperatura de banho mais baixa, variando desde um pouco abaixo da Mi (faixa de formação de martensita) até cerca de 93°C, esse processo de resfriamento mais rápida o que é importante para aços de endurecibilidade inferior, por isso esse processo é aplicado a uma maior quantidade de composições de aço.

Patenteamento Processo muito empregado na indústria de arames e fios, é uma modificação da austêmpera. No

patenteamento arames e barras austenizadas são resfriadas continuamente num banho, geralmente, de chumbo fundido a temperatura de 510°C a 540°C por um período de 10seg (arame) até 90seg (barra), assim o resfriamento é lento o suficiente para formar perlita fina. A diferença para a austêmpera é que em

vez da velocidade de resfriamento ser suficiente rápida para evitar o cotovelo da curva em C, é suficientemente lenta de modo a interceptar o cotovelo, dando assim origem a perlita fina.

Esse procedimento resulta em uma moderada alta resistência e dureza e como na austêmpera as dimensões da peça deve ser controlada para não gerar peças de microestrutura mista as quais podem produzir nas peças durezas não uniforme.

Endurecimento por precipitação Tratamento mais aplicado na ligas leves e em algumas de cobre. Esse tratamento se aproveita do

fato de certos elementos liga se dissolverem no ferro alfa formando soluções supersaturadas e em condições determinadas se precipitam.

O aço mais usado atualmente para esse tratamento é o aço “maranging”, que é um aço carbono muito baixo com alto teor de níquel, possuindo também titânio, alumínio e eventualmente nióbio, cobalto e molibdênio.

Seqüência do endurecimento por precipitação: • Austenização, 1h para cada 25mm de secção.Temperatura varia de acordo com a % de

liga. • Resfriamento a temperatura ambiente sem se preocupar com a velocidade • Envelhecimento a 480° durante de 3 a 6h.

Embora não seja um processo perfeitamente explicável admite-se que no envelhecimento dos aços

“maraging” ocorra precipitação das fases intermetálicas contendo níquel, molibdênio, titânio e eventualmente ferro. Por outro lado a estrutura martensítica é em tiras e a estrutura cristalina é a cúbica centrada.

Capitulo VI – Têmpera superficial

Visa criar uma superfície dura e de grande resistência e desgaste à abrasão, ou seja, é uma tempera localizada apenas na superfície das peças de aço.

Vantagens do endurecimento superficial em relação ao total: • Em peças grandes se tem dificuldade, sob o ponto de vista pratico e econômico, de tratá-

las nos fornos de tratamento térmico convencional. • Possibilidade de endurecer-se apenas as áreas criticas determinadas, como os dentes de

engrenagem. • Possibilidade de usar aços mais econômicos, como usar aços carbonos ao invés de aço liga. • Melhor precisão dimensional. • Controle do processo, de modo a produzir, se desejado, variações em profundidades de

endurecimento. Porém camadas muito profundas podem provocar empenamento, fissura ou desenvolver tensões

• Diminuição dos riscos de aparecimento de fissuras originadas no resfriamento da tempera. • Eliminação dos fornos de aquecimento. • Maior rapidez de tratamento.

Propriedades: • Superfícies de alta dureza e resistência ao desgaste. • Boa resistência a fadiga por dobramento. • Resistência satisfatória ao empenamento. • Boa capacidade para resistir cargas de contato. As temperaturas, os meios de resfriamento recomendados e as durezas resultantes para aço carbono

são as seguintes

Em alguns casos, por exemplo, em peças maciças, como engrenagens de passo largo, pode ocorrer a

rápida absorção do calor superficial pela massa não aquecida da peça. Desse modo, tem-se que poderia chamar de “auto-resfriamento”, que eliminaria os meios aquosos da tempera.

Têmpera por chama

Neste processo, aquece-se rapidamente, acima da temperatura critica, a superfície a ser endurecida, por intermédio de uma chama de oxiacetileno seguindo-se um jato de água em forma de borrifo. Existem inúmeros processos para essa tempera superficial, um deles usa-se um dispositivo semelhante ao torno onde no lugar onde é preso as peças fica a tocha de oxiacetileno e o bocal de água é colocado no carro do torno. Outro dispositivo é o chamado “estacionário”, este método é bem simples porque não exige equipamento elaborado alem de um dispositivo de chama, fixação e controle de tempo.

A figura acima representa três métodos de aplicação do endurecimento superficial por chama. Sendo

de cima pra baixo, método “progressivo” em que a chama é movida ao longo da área a ser endurecida, método “giratório” em que a peça é feita girar e método “combinado” em que tanto a peça como a chama se movimentam.

Vários gases combustíveis podem ser usados na tempera por chama. A tabela abaixo mostra a quantidade de oxigênio e de gás combustível necessária para aquecer um centímetro quadrado de aço a 815°C a uma profundidade de 3,2mm, para alguns gases combustíveis queimados com oxigênio

Têmpera por indução O calor para aquecer uma peça pode ser gerado na própria peça por indução eletromagnética. Assim se 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 e, como a peça apresenta circuito fechado, a voltagem induzida provoca fluxo de corrente. A resistência da peça ao fluxo da corrente induzida causa aquecimento por perdas O modelo de aquecimento obtido por indução depende da forma da bobina de indução que produz o campo magnético, do numero de voltas da bobina, da freqüência de operação e da força elétrica da corrente alternada.

Os exemplos abaixo mostram alguns exemplos de campos magnéticos e correntes induzidas por bobinas de indução:

A velocidade de aquecimento obtida com bobinas de indução depende da intensidade do campo

magnético ao qual se expõe a peça. Quando se deseja aquecimento a pequena profundidade adota-se corrente de alta freqüência, baixa ou intermediaria são utilizadas para obter maior profundidade Em resumo o controle da profundidade de aquecimento é conseguido, jogando-s com as seguintes variáveis:

• Forma da bobina. • Distância ou espaço entre a bobina de indução. • Taxa de alimentação de força • Freqüência • Tempo de aquecimento

A figura abaixo mostra esquematicamente a técnica de aquecimento por indução,

O êxito da operação depende também da forma da bobina de indução uma vez que existem peças de vários formatos diferentes, segue abaixo alguns desenhos básicos para serem utilizados em alta freqüência.

Para tais bobinas, usam-se tubos de cobre comercial, com dimensões tais que permitam um fluxo

adequado de água para seu resfriamento. Alguns processos onde se aplica aquecimento superficial por indução:

• Tempera simultânea, onde a peça a ser tratada é feita girar dentro da bobina. • Tempera continua, em que a peça, ao mesmo tempo que gira no interior da bobina, move-

se ao longo do seu eixo.

Outros métodos de tempera superficial. • Raios laser de raios eletrônicos, os quais podem ser dirigidos a zonas muito pequenas e

precisamente localizadas. Consegue-se assim um aquecimento de grande intensidade. O aquecimento eletrônico, contudo, exige uma câmara de vácuo, onde a peça é colocada

• Aquecimento por freqüência de alta resistência, por exemplo em peças com formas de barras longas.

Revenido dos aços temperados superficialmente.

Em toda tempera realizada, é necessário revenir a martensita, o que não é diferente com a tempera superficial.

Como a tempera superficial é adotada devido a características dimensionais das peças, deve-se igualmente preferir os métodos de chama ou de indução para revenir o material. No caso da tempera superficial por chama em peças grandes, através do método progressivo, o revenido é realizado imediatamente após o resfriamento, pelo reaquecimento da superfície temperada com uma chama colocada a pequena distancia do dispositivo de resfriamento. Em peças grandes, temperadas a uma profundidade de cerca de 6mm ou mais, o calor residual presente depois do resfriamento, pode ser suficiente para aliviar as tensões da tempera, tornando desnecessário o revenido subseqüente. Aços recomendados na tempera superficial. Os aços carbonos comuns, na faixa de 0,30 a 0,60% de carbono, são os mais usados nas aplicações de tempera pó chama, podendo ser endurecidos internamente em secções de aproximadamente 12,5 mm. Geralmente os aços-ligas são usados quando se deseja maior resistência de núcleo, até porque aços carbonos não são adequados para obtenção dessa resistência em determinadas secções. Os aços de granulação fina devem ser preferidos, aos de granulação grosseira, visto que este é mais suscetível de fissuração durante o resfriamento posterior.

Capítulo 7 – Tratamentos termo-químicos Objetivo: endurecimento superficial dos aços, pela modificação parcial da sua composição

química, nas seções que se deseja endurecer. Essa alteração da composição quimica do aço pode ser feita através da aplicação de calor e a profundidade dessa alteração depende da temperatura de aquecimento e do tempo que o aço permanece nessa temperatura.

Importância dos tratamentos termo-químicos: produzem um material mais duro e resistente ao desgaste na superfície e a ductilidade e a tenacidade do núcleo permanecem. Materiais com essas características são capazes de suportar altas tensões. Processos de endurecimento superficial: cementação, nitretação, cianetação, carbonitretação e boretação.

1 – Cementação: é um processo de endurecimento que consiste em aquecer o aço juntamente com uma substância que contenha carbono, de modo que este seja introduzido na superfície do aço, aumentando sua dureza. Para isso, é necessário que o aço ( em contato com a substância capaz de fornecer C) seja aquecido a temperaturas acima da zona crítica, onde a solução de carbono no ferro é mais fácil.

Profundidade de penetração do carbono: depende da temperatura e do tempo. Temperaturas mais elevadas favorecem a penetração de carbono.

Fatores que influem na velocidade de enriquecimento do carbono na superfície dos aços: • Teor inicial de carbono: quanto menor o teor inicial, maior a velocidade de carbonetação;

• Coeficiente de difusão do carbono no aço: é função da temperatura e da concentração de carbono. O tamanho de grão, impurezas e elementos de liga em quantidades normais não influenciam o coeficiente de difusão;

• Temperatura: quanto maior é a temperatura, mais rápida é a difusão; • Concentração de carbono na austenita: a solubilidade do carbono na austenita determinada no

diagrama Fe-C (linha Acm). Elementos de liga tendem a diminuir a solubilidade do carbono na austenita. O níquel é o elemento de liga que mais influencia.

• Natureza do agente carbonetante ou do gás de carboneteção

2.1- Considerações gerais: • O aço de baixo carbono é mais adequado para a cementação; • O aço deve estar no estado austenítico, ou seja, entre 850 e 950ºC;

• Resfriamentos mais rápidos (após a cementação) produzem um gradiente de carbono da superficie ao centro mais suave. A mudança brusca entre a área cementada e a não cementada deve ser evitada;

• Temperaturas mais altas de cementação produzem teores de carbono mais elevados.

2.2- Cementação à alta temperatura Consiste em realizar a cementação utilizando temperaturas maiores que 950ºC Vantagem sobre a cementação convencional: é mais rápida e o gradiente entre a superficie e o

centro é mais gradual. Limitação: possibilidade de haver um excessivo crescimento de grão, fato que pode ser evitado

adicionando-se elementos que impedem este crescimento, tais como o aluminio, titânio e nióbio. Pode-se também reduzir o tempo de cementação para evitar esse crescimento excessivo.

2.3- Reações fundamentais da cementação: 2CO + 3Fe � Fe3C + CO2

CH4 + 3Fe � Fe3C + 2H2 Essas reações são reversíveis, portanto deve-se procurar remover CO2 e H2 para garantir a adição do carbono no aço.

2.4- Processos de cementação

2.4.1- Cementação sólida ou em caixa • consiste em colocar as peças de aço em caixas metálicas em contato com as misturas

carburizantes.

Misturas carburizantes: carvão de madeira (fornecedor de C) + substância ativadora (óleo comum ou óleo de linhaça) + carvão coque (aumenta a velocidade de transferência de calor). A cementação sólida ocorre geralmente entre 850ºC e 950ºC. Faixa de cementação recomendável: 0,625 mm a 2 mm.

Vantagens: • É econômico para pequenos lotes e peças de grandes dimensões; • Exige menor experiência do operador; • Diminui a tendência ao empenamento das peças, por estarem apoiadas na mistura carburizante

sólida.

Desvantagens: • Não é um processo limpo como os outros;

• Não é recomendado para a produção de camadas finas de cementação � tolerâncias estreitas; • Não permite um controle muito preciso do carbono superficial e do gradiente de carbono.

• Quando se exige total controle da qualidade do material, esta técnica não é utilizada. É utilizada normalmente em pequenas indústrias e oficinas.

2.4.2- Cementação a gás A substância fornecedora de carbono é uma atmosfera gasosa.

Vantagens em relação a cementação sólida: • A mistura carburizante é estável durante toda a fase da cementação e não perde eficiência como

ocorre com a mistura da cementação sólida, que vai se desgastando ao longo do processo; • É um processo mais limpo;

• Permite maior controle do teor de carbono e da camada cementada; • Permite cementação de peças delicadas; • Maior velocidade de penetração do carbono.

Desvantagens em relação a cementação sólida: • Envolve reações mais complexas;

• Exige maior segurança, equipamentos mais sofisticados e profissionais capacitados.

2.4.3- Cementação Líquida Consiste em manter o aço a temperatura acima do limite inferior da zona crítica (723ºC) num

banho de sal fundido, com composição adequada para promover o enriquecimento de carbono na superfície.

Existem variados tipos de banho, conforme a espessura que se deseja cementar. Banhos de baixa temperatura: 840ºC a 900ºC, produz uma faixa de espessuras entre 0,08mm a

0,8mm. Banhos de alta temperatura: 900ºC a 955ºC, produz uma faixa de espessuras entre 0,5mm a

3mm. Vantagens da cementação líquida:

• É uma operação rápida, que permite boas profundidades de penetração em um tempo curto;

• Proteção efetiva contra oxidação e descarbonetação; • Maior controle da profundidade de penetração;

• Maior facilidade de realizar uma cementação localizada.

2.5- Cementação sob vácuo Consiste em aquecer as peças a temperaturas entre 845ºC e 1040ºC, numa câmara onde se produz

vácuo. As peças são submetidas a ação de gás e em seguida são resfriadas em óleo ou água. São 4 etapas: aquecimento e permanência à temperatura de cementação; aumento do teor de carbono da austenita; difusão e resfriamento em óleo ou água. È um processo que oferece excelente uniformidade e precisão na operação, bom para a cementação de aços com alto teor de elementos de liga.

2.6- Cementação a íonplasma Processo de cementação a vácuo onde são disparados na superfície do aço íons contendo carbono. Permite a utilização de temperaturas mais elevadas e maior velocidade de carbonetação.

2.7- Tratamentos térmicos da cementação

Têmpera direta� recomendada somente para aços de granulação fina ou que foram cementados em banho de sal (tempo de cementação mais curto, não há crescimento exagerado de grão). Favorece a retenção da austenita da camada cementada. Têmpera simples�consiste em realizar a tempera depois de as peças terem resfriado ao ar. Têmpera dupla: Realiza-se uma primeira têmpera, a partir a temperatura de austenitização do núcleo, para refiná-lo. Em seguida tempera-se novamente a partir de uma temperatura logo acima da temperatura critica da superfície, reduzindo a retenção de austenita e evitando pontos moles na camada cementada. Alia-se a grande dureza da camada cementada à um núcleo muito tenaz. Obs: geralmente não se faz revenimento nos aços cementados

Capitulo 8 - Prática dos tratamentos térmicos.

1- Generalidades

O conhecimento sobre os aspectos práticos é imprencindível para a obtenção dos melhores resultados , é por isso que a experiência do tratados térmico é um fatos tão relevante para uma realização eficiente de um tratamento térmico.

Vale lembrar ainda que a crise energética produziu uma revolução na prática desses processos visando o menor consumo de combustíveis.

2- Ferramentas e dispositivos manuais

As ferramentas são de grande uso nos processos térmicos pois nesses processos é muito necessário movimentação das peças, as ferramentas utilizadas nos processos térmicos são chamadas de tenazes.

Tenazes são ferramentas com baixo teor de carbono para não sofrerem influencia das grande variações de temperatura envolvidas nos processos térmicos.

Essa parte do capitulo também faz alusão a tempera que necessita de água corrente e lima em volume adequado para cada processo, cita também que essa água deve estar perto do forno para ocorrer uma rápida movimentação do forno para a tempera.

Têmpera à óleo: -É de costume utilizar 8 litros de óleo para temperar 1Kg de peça por hora. -A temperatura do óleo deve estar entre 30°C e 60°C para assegurar a fluidez do óleo, para

que o óleo permaneça nessa temperatura é necessário que o mesmo passe por uma serpentina resfriada a água.

-Caso o volume de óleo não for suficiente para a massa da peça pode ocorrer um incêndio no óleo.

Salmoura: -É comum o uso de 5% a 10% de sal grosso devidamente resfriado. Ar comprimido: -Usado para temperar ferramentas produzidas de aços de alto teor de liga e de seleção mais

fina.

3- Condições de aquecimento Para aquecimento de peças de aço carbono de dimensões normais e de até 5 quilos

costuma-se utilizar a regra: 1 minuto para cada mm de espessura por hora mais um tempo de adição para o formato das peças. Para barras redondas a penetração se dá a 1mm/minuto porém existe um fator de aquecimento que é maior para peças esféricas e cilíndricas cerca de 50% maior do que para peças longas ou quadradas que é três vezes maior do que em placas retangulares Observa-se também que quanto maior os elementos de liga maior será o tempo para a solubilização completa Como há aços, com % elevada de elementos de liga, aços rápidos com alto teor de cobalto, que não podem ser aquecido continuamente até a temperatura crítica, assim, recorre-se ao pré aquecimento simples ou duplo. Nesses aços a permanência em altas temperaturas (1000°C; 1300°C) deve ser reduzida de 2 a 7 minutos para não ocorrer a fusão incipiente.

A permanência das peças temperadas a temperatura do revenido obedece a processos adequados para não ocorrer falhas. Peças logo após a tempera devem ser transferidas aos fornos e aos banhos revenidos o tempo mínimo necessário.

- quanto maior o teor de dos elementos de liga maior o tempo. - Peças delgadas (até 3/8”) de aço carono devem ficar na temperatura de revenido até 15

minutos - Peças com alto teor de cromo e carbono devem ficar de 8 a 10 vezes mais tempo. - Aços com altos teores de ligas recomenda-se a adoção de 2 revenidos para garantir a

precipitação da maior parte da austenita retida na tempera para haver o devido alivio de tensões.

4- Preservação da superfície Ao longo do aquecimento devem ser tomados cuidados para evitar a oxidação e a formação

de cascas de óxido. Práticas: -Em fornos a óleo costuma-se pré aquecer o forno em 100°C superior a temperatura da

tempera e em seguida fazer a combustão do óleo assim consegue-se uma atmosfera protetora - Em fornos de mufla á óleo, gás ou elétricos é utilizado o empacotamento das peças em

caixas com carvão de madeira granulado - Em fornos de mufla hermeticamente fechados utiliza-se o lançamento de substancia

redutoras para fazer uma atmosfera redutora - A preservação da superfície é melhor garantida pelo emprego de fornos a banho de sal

devidamente controlados 5- Atmosferas controladas

Essas atmosferas controladas geralmente gasosas podem ser produzidas por diversos meios alguns dos quais são bastante econômicos e preenchem perfeitamente as necessidades dos tratamentos térmicos.

As atmosferas controladas foram divididas em 6 grupos com base no método de preparo e nos constituintes originais empregados.

OBS: Ponto de orvalho é a temperatura exata em que a umidade prcipita ou que o ar fica saturado.

- À base exotérmica: obtida através da combustão parcial ou completa de uma mistura gás/ar , pode-se remover o vapor d’água para produzir o desejado “ponto de orvalho”

- À base de nitrogênio preparado: obtida através de base exotérmica , com remoção do CO2 e do vapor d’água.

- À base endotérmica : obtida através da reação parcial de uma mistura de gás combustível e ar numa câmara cheia de substancia catalisadora externamente aquecida.

- À base de carvão de madeira : obtida fazendo passar ar através de um leito de carvão de madeira incandescente.

- À base exotérmica/endotérmica: obtida pela completa combustão de uma mistura de gás combustível e ar, removendo-se o vapor d’água e formando de novo o CO2 a CO mediante um reação com o gás combustível numa câmara cheia de substância catalisadora externamente aquecida

- À base de amônia : que pode constituir de amônia crua, dissociada, ou dissociada parcialmente ou completamente queimada com o ponto de orvalho regulado.

Tabela 19, Aplicações comuns das principais atmosferas controladas.

6- Conclusões Como é comum ocorre o defeito de empenamento em peças submetidas ao tratamento

térmico é conveniente lembrar alguns cuidados que devem ser utilizados na utilização dos fornos. - Não se deve carregar fornos com soleiras irregulares , é necessário que as peças sejam

apoiadas de modo adequado e uniforme nas soleiras. - Peças de grande seção transversal devem ser dispostas de maneira horizontal - Peças com seção finas devem ser suspensas

- Imersão de pelas nos meios líquidos deve ser feita com muito cuidado, introduzindo primeiramente as seções mais finas

- Outra causa de empenamento está ligada ao projeto inadequado da peça o qual pode levar ao aparecimento de fissuras, pela concentração de tensões em determinadas ares

Outro problema freqüente nos tratamentos térmicos está relacionado a dureza superficial que varia em função da forma do carregamento para evitar esse problema deve-se evitar cargas extremamente densas de peças de pequena dimensão pois quando são mergulhadas nos banhos de têmpera o fluxo do meio de resfriamento para o centro da carga fica prejudicada

Capítulo 9 - Aços-carbono e aços-ligas. Classificação, Propriedades mecânicas

Os Aços podem ser classificados em grupos, em base de propriedades comuns:

• Composição, como aços-carbono e aços-liga • Processo de acabamento, como aços laminados a quente ou a frio. • Forma do produto acabado, como barras, chapas grossas ou finas, tiras tubos ou perfis

estruturais. Uma das classificações mais generalizadas, e a que serviu de base para a usada no Brasil, é a que

considera a composição química do aço e dentro dos sistemas conhecidos os mais usados são os da AISI (American Iron and Stell Institute) e da SAE (Society of Aomotive Engineers).

No caso dessas duas classificações a nomenclatura coincide, tendo como exemplo o aço SAE/AISI 1020, os dois últimos dígitos informam a % de carbono do aço multiplicado por 100, ou seja, o aço exemplificado tem 0,2% de carbono. Já os dois primeiros dígitos diferenciam os vários tipos de aços, pela presença do carbono como principal elemento de liga ou pela presença de outros elementos de liga, como níquel, cromo, etc. No caso do 1020 o 10 significa que o aço é simplesmente ao carbono. Outros exemplos são os da família 11, que são os aços de usinagem fácil com alto enxofre, ou os 40, que são aços com 0,25% de molibdênio em media. Tem também a classificação alemã DIN que recorre a duas diferentes normas, a DIN 17100, que classifica de acordo com o limite de resistência a tração, e a DIN 17200, que classifica de acordo com a composição química.

Impurezas normais dos aços-carbono e inclusões não-metálicas Os produtos siderúrgicos apresentam, alem do C como principal elemento liga, uma série de impurezas de natureza metálica ou não. Essas impurezas normais são o fósforo, o enxofre, o manganês, o silício, e o alumínio, sendo que a maior parte dessas impurezas reage entre si ou com outros elementos não metálicos, com o oxigênio e com o nitrogênio, formando as chamadas inclusões não-metálica. A formação dessas impurezas se da, na maioria, na fase final de desoxidação dos aços. Dentre essas impurezas o fósforo foi considerado, por muito tempo, um elemento exclusivamente nocivo, devido à fragilidade a frio que confere aos aços, sobretudo nos aços duros, de alto carbono e quando seu teor ultrapassa certos limites. Por outro lado o fósforo tem alguns aspectos favoráveis, pois ao aumentar a dureza do aço, aumenta igualmente a sua resistência a tração, fato que pode ser aproveitado nos aços de baixo carbono. Alem disso, o fósforo melhora a resistência à corrosão e a usinabilidade dos aços, neste ultimo principalmente quando adicionado ao enxofre. O fósforo se caracteriza por ser incompatível com o carbono, ou seja ele tende a expulsar o carbono da austenita, de modo que, quando no resfriamento se ultrapassa a linha Ar, as áreas ricas em fósforo ficam praticamente constituída somente de ferrita, com ausência quase que completa de perlita. O resultado desse fenômeno é uma estrutura denominada “ghost line”, como mostra a figura abaixo

As inclusões não-metálicas, de acordo coma origem, podem ser classificadas em dois grupos principais:

• Endógenas - Ocorrem durante a elaboração do aço ou durante a sua solidificação, é gerada pela precipitação do enxofre e do oxigênio sob a forma de sulfetos, óxidos, silicatos e aluminatos.

• Exógenas – Derivadas de fontes externas, como de escorias, corrosão ou erosão dos refratários da parede do forno e canais de vazamento. Geralmente são constituídas de silicatos, óxidos e aluminatos

De inicio as inclusões podem ser imaginadas como partículas esféricas ou globulares de pequenas dimensões. No processo de conformação mecânica algumas delas se alongam no sentido da laminação.

As causas mais importantes das inclusões são: • Precipitação, durante o processo de solidificação do aço, de óxidos e sulfetos. • Separação deficiente dos produtos de oxidação e desulfuração resultante da adição de

desoxidantes e desulfurantes. • Formação de escorias nos fornos e nas panelas de vazamento. • Arrastamento para o metal liquido de produtos de erosão e corrosão do material refratário

das paredes dos fornos ou dos canais de vazamento • Adição de produtos como ferros-liga ou aditivos de fundição, mais difíceis de dissolverem

no banho metálico.

Dentre as técnicas que estão sendo adotadas para reduzir o efeito prejudicial das inclusões não metálicas podem citar as seguintes:

• Tratamento a vácuo do aço da panela, de modo a minimizar os níveis de oxidação. • Injeção na panela, que se realizada corretamente pode significar uma boa remoção do

enxofre, e do numero geral de inclusões. • Seleção correta de revestimento refratário de modo a reduzir as inclusões exógenas. • Prevenção para impedir a transferência de escorias do forno e da panela às fases

subseqüentes de processamento de aço. • Projeto adequado das panelas intermediarias.

Propriedades mecânicas dos aços-carbono As propriedades mecânicas são afetadas em principio pelos fatores seguintes:

• Composição química • Microestrutura

Condição química – Nos aços resfriados normalmente, isso é, em condições tais que se

processe formação total da austenita, o elemento predominante é carbono que, a medida que aumenta, melhora as propriedades relativas a resistência mecânica, ou seja, o limite de escoamento, o limite da resistência a tração e a dureza, e piora a ductilidade e a tenacidade.

Microestrutura – Esta é inicialmente afetada pela composição química, pois os constituintes presentes são ferrita, perlita e cementita, combinados de acordo com o tipo do aço, eutetóide, hipereutetóide, hipoeutetóde. Por outro lado, a microestrutura dos aços depende também dos seguintes fatores:

• Estado ou condição do aços, sob o ponto de vista de fabricação, se fundido, trabalhado a quente (laminado, forjado) ou trabalhado a frio.

• Tamanho de grão austenítico. • Velocidade de resfriamento.

No estado fundido o aço apresenta granulação grosseira, do tipo dendrítico, visto que a

austenita se forma a altas temperaturas e o esfriamento do interior dos moldes é muito lento. Como as operações de conformação a quente são realizadas a temperaturas em que o aço se

apresenta no estado austenítico, verificam-se as seguintes conseqüências: • Homogeneização, apreciável da estrutura, pela tendência a eliminar ou reorientar as

inclusões e segregações que ocorrem durante a segregação do metal no interior dos moldes

• Recristalização, com acentuada influencia sobre o tamanho do grão, por sua vez, depende das temperaturas finais de deformação.

No estado encruado os efeitos mais importantes são os seguintes:

• Aumento da resistência mecânica. • Aumento da dureza. • Diminuição da ductilidade, representada por um decréscimo de alongamento e estrição.

5- Aços-liga, efeitos dos elementos de liga, propriedades mecânicas. Efeitos adquiridos com a introdução de outros elementos liga nos aços-carbono:

• Aumentar a dureza e a resistência mecânica • Conferir resistência uniforme em peças de grandes dimensões. • Diminuir o peso (conseqüência do aumento da resistência) de modo a reduzir a inércia ou

reduzir a carga-morta em um veiculo ou estrutura. • Conferir resistência a corrosão • Aumentar a resistência a calor • Aumentar a resistência ao desgaste. • Aumentar a capacidade de corte. • Melhorar as propriedades elétricas e magnéticas.

Os três primeiros requisitos são alcançados porque os elementos de liga, como se viu, aumentam a resistência da ferrita e formam ainda outros carbonetos. Geralmente esse aumento da resistência é conseguido pela adição de um ou vários elementos de liga em teores relativamente baixos, não ultrapassando o valor de 5%.A obtenção dos outros característicos, de “d” a “h”,

requer a introdução dos elementos de liga em teores mais elevados, produzindo-se alterações mais profundas na ferrita, além de resultarem carbonetos mais complexos.

5.1- Tendência da distribuição dos elementos de liga nos aços recozidos As duas principais microestruturas dos aços recozidos são:

• Ferrita - ferro alfa contendo elementos dissolvidos • Carboneto – essencialmente a cementita ou carboneto de ferro contendo elementos

dissolvidos ou carbonetos especiais contendo fero e elemento de liga Com exceção do cobre e do chumbo os elementos de liga tendem, na ausência do carbono, a se dissolverem na ferrita, a não ser pequenas quantidades que podem aparecer como inclusões não metálicas. Por outro lado, a tendência formadora de carbonetos desses elementos só se revelara na presença de teores apreciáveis de carbono. Dos elementos que se considerarem em definitivos como formadores de carbonetos, o manganês é o mais fraco. A tendência geral nesse sentido se manifesta mais ou menos na seguinte ordem de intensidade crescente: Mn, Cr, Mo, W, Ta, V, Nb e Ti. Os que apresentam menor tendência que o ferro para combinar-se com o carbono formando carbonetos são: Si, Al, Cu, Ni, Co.

5.2- Efeito dos elementos de liga sobre a ferrita.

A figura abaixo mostra a ação reativa de diversos elementos de liga quando dissolvidos em ferrita, no sentido no sentido de aumentar a sua dureza sem ser acompanhado por decréscimo da ductilidade.

6 - Efeito dos elementos de liga na formação da austenita e na sua transformação

No que se refere a formação da austenita, o aquecimento dos aços à temperatura de austenitização retém em solução na austenita todos os elementos de liga que estavam previamente dissolvidos na ferrita, alterando muito pouco as propriedades da austenita, tornando-a um pouco mais dura ou resistente à deformação. A influência sobre o tamanho de grãos é elevar ligeiramente a temperatura de crescimento do grão. O tamanho de grão depende mais dos constituintes que não se dissolvem na austenita, como as inclusões não-metálicas, as quais forçam a elevação da temperatura de crescimento de grão da austenita. É o caso de inclusões de nitreto de alumínio que previnem o crescimento de grão até temperaturas bem superiores a 925 graus C e , às vezes, da ordem de 1100 graus C . As inclusões de elevado teor de silício já não atuam da mesma maneira, pois se dissolvem em parte na austenita.

Os aços de até médio teor de carbono, também se dissolvem totalmente na austenita. Enquanto os aços de alto teor de carbono ou com elementos de liga que formam carbonetos, a solução não é total, sendo que em alguns casos é impossível, como nos aços rápidos. Nessas condições, o efeito mais importante é no sentido de impedir o crescimento de grão. De qualquer modo, as propriedades finais dos aços são grandemente afetadas pela proporção da fase carboneto na austenita.

Fig. 14 – Influência dos elementos de liga sobre o teor de carbono e a temperatura do eutetóide.

Fig. 15 – Efeito de certos elementos de liga sobre o campo austenítico.

As figuras 14 e 15 são relativas à influência dos elementos de liga sobre o teor de carbono

e a temperatura do eutetóide sobre o campo austenítico. - A figura 14 mostra que alguns elementos elevam a temperatura de formação da austenita e outros a abaixam; entretanto, nenhum elemento de liga passa a composição do eutetóide a valores mais elevados.

- A figura 15 mostra os efeitos do manganês, cromo, molibdênio e silício sobre a faixa de existência da austenita. O manganês, o níquel e o cobalto atuam da mesma forma; o cromo praticamente elimina o campo austenítico com teores da ordem de 20%, já o molibdênio elimina o campo austenítico acima de cerca de 8,2%, enquanto o tungstênio em teores de cerca de 12% impede a completa austenitização. O silício, apesar de não ser elemento formador de carboneto como o tungstênio e o molibdênio, também restringe o campo austenítico, até que acima de cerca de 8,5% não há possibilidade de ter-se austenita como único constituinte. O efeito do titânio é

ainda mais acentuado, a ponto de um teor de 1% desse elemento praticamente eliminar a fase austenítica.

7 - Efeito dos elementos de liga na faixa de temperaturas de formação da martensita Esses efeitos podem ser considerados sob dois pontos de vista:

1- Influência nas temperaturas de início e de fim da formação da martensita

O Manganês e cromo podem abaixar as temperaturas da reação martensítica, a ponto de evitar sua formação total - (figuras 31 e 32)

Dentre os elementos que podem estar presentes nos aços, o carbono é o que apresenta a influência mais acentuada. O cobalto aumenta a temperatura de início de formação da martensita. Os efeitos do vanádio e do titânio são discutíveis. Quanto à influência sobre a temperatura de fim de formação da martensita, aparentemente é a mesma por parte dos vários elementos de liga indicados. A distância entre as temperaturas Mi e MF varia desde cerca de 160 graus C até cerca de 245 graus C, sendo a maior para os elementos de tendência mais forte no sentido de diminuir a temperatura MF, isto é, manganês, cromo e níquel .

Fig. 31 – Influência do manganês e do carbono sobre a temperatura Mi de início da formação de martensita.

Fig. 32 – Influência do cromo e do carbono sobre a temperatura Mi de início de formação de martensita.

A temperatura de fim de formação da martensita representa a eliminação total da austenita,

caso essa temperatura não seja atingida, ficará certa quantidade de austenita retida. Mesmo em aços-carbono, com teor acima de 0,55%, alguma austenita permanece retida, sobretudo na presença de níquel, manganês e cromo, podendo nestes casos o carbono ser até mesmo inferior. No reaquecimento do aço a uma temperatura conveniente, essa austenita pode transformar-se, de acordo com a tendência de transformação isotérmica do aço. Por meio de um resfriamento sub-zero consegue-se evitar a retenção da austenita, mas para isso é necessario conhecimento exato da temperatura Mf, e ainda há risco de tensões internas muito severas, ou mesmo o aparecimento de fissuras. Geralmente, quando a quantidade de austenita retida é pequena, não se verificam efeitos apreciáveis nas propriedades, embora aparentemente os limites de elasticidade e de escoamento sejam ligeiramente diminuídos. Já para quantidades maiores de austenita retida, 10% a 20%, a

transformação subseqüente em bainita da faixa inferior, durante o revenido não produz modificações ou, em alguns casos, melhora a resistência, a ductilidade e a tenacidade. Entretanto, o revenido a temperaturas mais elevadas, produzindo a bainita superior ou a perlita, que produz efeitos prejudiciais.

2 - Influência sobre a dureza da martensita

Os elementos de liga, outros que o carbono, exercem uma influência endurecedora na martensita. O que pode ser demonstrado por experiências realizadas em ligas Fe-Cr com apenas 0,02% de carbono. Os resultados estão resumidos na figura 114. O mesmo efeito endurecedor de elementos de liga foi observado em aços com 0,35% de carbono, com teores variáveis de cromo e de molibdênio.

O carbono é o elemento fundamental no que diz respeito às propriedades da martensita.

Fig. 114 – Dureza martensítica numa série de ligas Fe-Cr com 0,02% de carbono, mostrando-se, para efeitos comparativos, a

dureza no estado recozido.

8 - Efeito dos elementos de liga no revenido Um dos principais, senão o principal efeito, está relacionado com a austenita retida ou

residual nos aços sujeito a esse fenômeno. Uma grande proporção de austenita pode causar um endurecimento do aço por ocasião do revenido, o que é ilustrado pela figura 115, relativa a um aço de carbono muito elevado (1,8%) e 6,4% de cromo, temperado de duas temperaturas. A têmpera da temperatura mais elevada (1093 graus C) provocou retenção de grande quantidade da austenita (80% a 90%) e pelo revenido subseqüente, a temperaturas entre 500 e 600 graus C, originaram-se constituintes mais duros que a austenita.

Já admite-se que o endurecimento secundário é causado também pela precipitação de uma dispersão extremamente fina de carbonetos de elementos de liga. Essa precipitação ocorre na faixa de temperaturas entre 480 e 650 graus C, e os carbonetos capazes de produzir o efeito são W2C, Mo2C e VC. Ao mesmo tempo, esses carbonetos precipitados provocariam uma melhora da resistência do aço a altas temperaturas. Para qualquer resistência ou dureza final, os aços temperados possuindo tais elementos de liga, devem ser aquecidos a temperaturas consideravelmente mais elevadas no revenido a esta circunstância permite uma maior eliminação de tensões internas.

Fig. 115 - Efeito do reaquecimento a várias temperaturas sobre a dureza de aço de alto carbono e cromo, temperado. A têmpera a partir de 900 graus C retém alguma austenita; a têmpera a partir de 1093 graus C produz um estado quase que completamente austenítico: note-se o endurecimento pelo revenido.

9 - Recapitulação dos efeitos dos elementos de liga nos aços Recapitulando, os principais efeitos dos elementos de liga sobre as propriedades

mecânicas, microestrutura, tratamentos térmicos e outros característicos do aço são: - Aumentar a temperabilidade, pelo deslocamento para a direita das curvas de início e fim

de transformação da austenita, no diagrama TTT; - Torna-se possível têmpera de secções mais grossas e a utilização de meios de têmpera

mais brandos, como, óleo ou mesmo ar, em vez de água, garantindo uma estrutura temperada com maior quantidade de martensita;

- Ao mesmo tempo, diminuem-se os riscos de empenamento ou fissuração; - A temperatura da tempera no revenido é mais elevada que nos aços-carbono comuns, para os mesmos níveis de dureza; essa maior temperatura de revenido facilita a remoção de tensões internas e ainda os aços-liga apresentam maior tenacidade;

- Aumentar a dureza e a resistência mecânica da ferrita, quando se dissolvem nesse constituinte, com conseqüente aumento de dureza e resistência mecânica do aço, mesmo antes de qualquer tratamento térmico;

- Aumentar a resistência à corrosão; os elementos mais atuantes são o cromo, o níquel, o cobre e o fósforo, os quais, mesmo em teores relativamente baixos, melhoram muito a resistência à corrosão atmosférica; o cromo, em teores elevados, torna o aço inoxidável;

- Aumentar a resistência ao desgaste; - Melhoram as propriedades elétricas e magneticas;

* A Tabela 24 resume os principais efeitos dos elementos de liga nos aços.

A figura 116 indica os efeitos do níquel, do cromo e do manganês sobre os valores obtidos no ensaio de tração em corpos de prova de pequena secção de aço laminado com 0,2% de carbono.

- Verifica-se que o níquel se dissolve na ferrita, aumenta razoavelmente os limites de resistência à tração e de escoamento, sem afetar muito sensivelmente a ductilidade.

- O cromo, que além de se dissolver na ferrita forma carbonetos, possui efeito mais apreciável que o níquel no que se refere ao limite de escoamento e à resistência à tração, provocando queda maior nos valores de alongamento e estricção.

- O manganês, cujo efeito é analisado em três tipos de aço, aumenta as propriedades de resistência mais ou menos na mesma proporção do que o cromo.

Fig. 116 – Efeito do níquel e do cromo sobre propriedades mecânicas de aço laminado com 0,20% de carbono; efeito do manganês sobre aços de baixo e médio carbono, laminados.

Cabe uma referência especial ao boro, que em pequenas quantidades, exerce um efeito acentuado sobre a endurecibilidade dos aços . Os aços de boro devem ser, primeiro, cuidadosamente desoxidados, e o seu teor de nitrogênio deve ser baixo, pois, do contrário, o boro reagirá como o oxigênio e o nitrogênio, deixando de contribuir para melhorar a temperabilidade.

É extremamente pequena a porcentagem de boro a ser adicionada para obtenção dos efeitos desejados, ficando entre 0,008% e 0,0003%, dependendo do tipo de aço . Entretanto, se sua quantidade ultrapassar de certos limites, poderá provocar a falta de ductilidade a quente. Sendo que o limite é cerca de 0,008% para aços de baixo carbono e de cerca de 0,005% para aços de alto carbono.

A atuação do boro não é propriamente como elemento de liga. Contudo, seu efeito sobre certas características dos aços, como temperabilidade, é: deslocar a curva de início de transformação do diagrama TTT para a direita, embora relativamente pouco o mesmo acontece com a curva de fim de transformação e a conseqüência imediata é o aumento da temperabilidade dos aços.

Admite-se que a presença de um composto submicroscópico de boro nos contornos dos grãos (BC, BN ou boretos) seria a causa do atraso na transformação da austenita que, como se sabe, começa nos contornos dos grãos.

A figura 117 mostra o efeito do boro sobre a temperabilidade de um aço com 0,63% de carbono.

Fig. 117 – Efeito do boro sobre a temperabilidade de um aço com 0,63% de carbono.

A figura 118 mostra as faixas de endurecibilidade para aço tipo SAE 5046 sem e com boro. Nesses aços, a temperatura de normalização para material forjado ou laminado é de 870 graus C; a temperatura de austenitização é de 843 graus C.

Bullens cita o exemplo de um aço com 0,42% C, 1,60% Mn e 0,30% Si que, por têmpera em óleo, endurece a 55 Rockwell C somente até diâmetros de meia polegada, ao passo que com adição de apenas 0,001% a 0,002% de boro, poderá adquirir a mesma dureza até diâmetros de uma e meia polegada.

A adição do boro nos aços, constituem uma inegavelmente vantagem desse elemento que não altera as características do aço de trabalho a quente, nem de trabalho a frio ou de usinabilidade, visto que não altera a dureza, a resistência mecânica e a plasticidade da cementita e da ferrita, ao contrário dos elementos de liga que ele substitui, como Mn, Ni, Cr, etc. Do mesmo modo, nos estados recozido ou normalizado, as propriedades de um aço ao boro são praticamente idênticas às do mesmo aço sem boro.

Foi desenvolvido nos Estados Unidos um novo grupo de aços ao boro. Esses aços apresentam menores teores de carbono, mas maiores teores de manganês e boro, essa combinação propiciou endurecibilidade crescente, permitindo reduções nos níveis de carbono, sem diminuição da resistência. Devido a menor quantidade de carbono observa-se dureza mais baixa na condição laminada, possibilitando fácil conformação mecânica. E ainda esses aços apresentam características de auto-revenido, que eleva a temperatura de transformação Mi a um ponto onde o revenido ocorre logo após a transformação. Diminuindo assim as fissuras e as probabilidades de empenamento. As aplicações mais importantes dos aços ao boro situam-se no campo dos aços para cementação, em substituição aos aços com alto teor de níquel.

10 - Classificações dos aços-carbono e dos aços-liga Poder-se classificar os aços de três modos diferentes: de acordo com a composição química, de acordo com a estrutura e de acordo com a aplicação.

10.1 – Classificação de acordo com a composição química - Aços-carbono - aqueles que estão presentes o carbono e os elementos residuais, manganês,

silício, fósforo, enxofre e outros, nos teores considerados normais; - Aços-liga de baixo teor em liga - aqueles em que os elementos residuais estão presentes acima

dos teores normais, ou onde ocorre a presença de novos elementos de liga. Nestes aços, a quantidade total de elementos de liga não é suficiente para alterar profundamente as estruturas dos aços resultantes, assim como a natureza dos tratamentos térmicos a que devam ser submetidos;

- Aços-liga, de alto teor em liga - o teor total dos elementos de liga é, no mínimo, de 10 a 12%. Tantos as estruturas dos aços correspondentes podem ser alteradas, como os tratamentos térmicos comerciais sofrem modificações, exigindo ainda técnica e cuidados especiais e, freqüentemente, operações múltiplas;

- Aços-liga, de médio teor em liga - podem ser consideradas como constituindo um grupo intermediário entre os dois anteriores.

10.2 – Classificação de acordo com a estrutura - Perlíticos – aços com no máximo 5% de elementos de liga; Em função do teor de carbono e

elemento de liga as propriedades mecânicas podem ser melhoradas por tratamento térmico; aços de boa usinabilidade.

- Martensíticos - quando o teor de elemento de liga supera 5%; apresentam dureza muito elevada e baixa usinabilidade;

- Austeníticos - tem estrutura austenítica à temperatura ambiente, devido aos elevados teores de elementos de liga (Ni, Mn, Co) Exemplo: inoxidáveis, não magnéticos e resistentes ao calor

- Ferríticos - caracterizados por elevados teores de certos elementos de liga (Cr, W ou Si), mas com baixo teor de carbono; não reagem à têmpera; apresentam estrutura ferrítica no estado recozido

- Carbídicos - apresentam alto teor de Carbono e elementos formadores de carbonetos (Cr, W, Mn, Ti, Nb, Zr ). A estrutura consiste de carbonetos dispersos na matriz sorbítica, austenítica ou martensítica, dependendo da composição química. São usados para ferramentas de corte e para matrizes

10.3 – Classificação de acordo com a aplicação - Aços para fundição – apresentam boa resistência, ductilidade e tenacidade. Alem disso,

apresentam boa usinabilidade e adequada soldabilidade; a maioria é susceptível à têmpera e revenido - Aços estruturais - boa ductilidade para ser conformado; boa soldabilidade; elevado valor de

relação de resistência à tração para limite de escoamento; baixo custo; homogeneidade . - Aços para trilhos - cujas condições de serviços exigem característicos de boa resistência

mecânica, boa resistência ao desgaste etc.; são tipicamente aços ao carbono; - Aços para chapas e tubos – excelente deformabilidade; boa soldabilidade; boa ductilidade; baixo custo; dependendo do tipo de aplicação, alta resistência à corrosão e de fácil revestimento.

- Aços para barras, arames e fios - conforme aplicação apresenta excelente resistência à tração; boa ductilidade para ser conformado. - Aços para molas – elevado limite elástico; elevada resistência à fadiga; elevada resistência ao choque.

- Aços de usinagem fácil - elevada usinabilidade; teores acima dos normais dos elementos enxofre e fósforo; adição de metais moles como o Chumbo e Bismuto facilitam a usinagem (série especial).

- Aços para cementação - normalmente de baixo carbono e baixos teores de elementos de liga, de modo a apresentarem os melhores características para enriquecimento superficial de carbono, além de um núcleo tenaz, depois da cementação e da têmpera; - Aços para nitretação - simplesmente ao carbono ou, no caso do emprego do processo de nitretação, com os elementos de liga cromo, molibdênio e alumínio; - Aços para ferramentas e matrizes - caracterizados por alta dureza à temperatura ambiente e temperatura elevada; satisfatória tenacidade ; os tipos mais sofisticados apresentam elementos de liga em teores muito elevados, sendo os mais importantes e famosos os “aços rápidos”, com elevado teor de tungstênio, mais cromo e vanádio e, eventualmente, molibdênio, cobalto e outros elementos de liga. Apresentam alta capacidade de corte. - Aços resistentes ao desgaste – o mais importante é o que apresenta manganês em quantidade muito acima do normal (entre 10 e 14%), além de alto carbono (entre 1,0 e 1,4%); - Aços resistentes à corrosão - também chamados “inoxidáveis”, apresentam elevados teores de cromo ou cromo-níquel; sendo que o cromo tende a estabilizar a ferrita, já o níquel tende a estabilizar a austenita e melhora a resistência à corrosão a altas temperaturas.

- Aços resistentes ao calor - também chamados “refratários”, apresentam elevados teores de cromo e níquel; Possuem elevada resistência à oxidação pelo calor e mantêm as propriedades mecânicas a temperaturas acima da ambiente;

- Aços para fins elétricos - empregados na fabricação de motores, transformadores e outros tipos de máquinas e aparelhos elétricos, apresentam silício em teores acima dos normais (até 4,75%), ou altos teores de cobalto (até 50%) ou altos teores de níquel;

- Aços para fins magnéticos - alto teor de carbono, cromo médio, eventualmente tungstênio relativamente elevado, eventualmente molibdênio e (os melhores tipos) elevada quantidade de cobalto (até cerca de 40%); esses aços, quando temperados, apresentam o característico de imantação permanente representado pelo produto (BH)max. bastante elevado;

- Aços ultra-resistentes- desenvolvidos principalmente pela necessidade das aplicações da indústria aeronáutica; nesses aços procura-se uma elevada relação resistência/peso; apresentam excepcionais propriedades mecânicas ;

- Aços criogênicos – destacam-se pela resistência ao efeito de baixas temperaturas;

- Aços sinterizados - produto da metalurgia do pó, incluindo ferro praticamente isenta de carbono, aços comuns e alguns aços especiais, de aplicação crescente na indústria moderna.