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CENTRO UNIVERSITÁRIO ESTADUAL DA ZONA OESTE

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE MATERAIS

Metodologia experimental para determinação do tempo mínimo de austenitização para aços baixa liga.

Italo de Carvalho Italo

Rio de Janeiro 2016

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CENTRO UNIVERSITÁRIO ESTADUAL DA ZONA OESTE

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE MATERAIS

Metodologia experimental para determinação do tempo mínimo de austenitização para aços baixa liga

Dissertação apresentada, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre, ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais, do Centro Universitário Estadual da Zona Oeste. Área de concentração: Ciência e Tecnologia de Materiais.

Orientador: Prof. Dr. Mauro Carlos Lopes Souza

Rio de Janeiro 2016

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X000Italo, Italo de carvalho Metodologia experimental para determinação do tempo mínimo de

austenitização para aços baixa liga /Italo de carvalho Italo. – 2016. 133f.

Orientador: Mauro Carlos Lopes Souza Dissertação (Mestrado) – Centro Universitário Estadual da Zona Oeste,

Rio de Janeiro. 1. Matéria Condensada – Teses. 2.Monte Carlo, Método de -

XXX 000.000

___________________________ __________________________________

Data Italo de Carvalho Italo

Italo de Carvalho italo

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Metodologia experimental para determinação do tempo mínimo de austenitização para aços baixa liga

Dissertação apresentada, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre, ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais, do Centro Universitário Estadual da Zona Oeste. Área de concentração: Ciência e Tecnologia de Materiais.

Aprovado em: ….de setembro de 2016

Banca Examinadora:

_____________________________________________________ Prof. Mauro Carlos Lopes Souza, DSc(Orientador) Centro Setorial de Produção Industrial – UEZO

_____________________________________________________ Prof. Carlos Alberto Martins Ferreira, DSc Centro Setorial de Produção Industrial – UEZO

_____________________________________________________ Prof. Alisson Clay Rios da Silva, DSc..

Universidade Federal do Pará - UFPa

Rio de Janeiro 2016

5

Dedico a Deus, minha família, amigos,

colegas de trabalho e orientadores pelo

apoio, força, incentivo, companheirismo e

amizade. Sem eles nada disso seria

possível.

6

AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus pela conclusão de mais uma etapa.

À minha família por tudo.

Com muita gratidão ao meu orientador Prof. Mauro C.L. Souza, pelo incentivo e

toda orientação dada não somente durante o trabalho, mas também durante todo

o período final do curso.

À Empresa Brastêmpera, por todo o auxílio, apoio e dedicação durante os

trabalhos experimentais.

À Empresa tecmetal Consultoria

À todos os professores do Curso de Mestrado da UEZO, pelo estímulo e

ensinamentos.

Aos colegas de turma que muito me incentivaram.

A todos que direta ou indiretamente contribuíram para a realização deste trabalho.

7

“O único modo de escapar da corrupção

causada pelo sucesso é continuar

trabalhando.”

Albert Einstein

8

RESUMO

ÍTALO, Ítalo de Carvalho. Metodologia experimental para determinação do tempo mínimo de

austenitização para aços baixa liga. 2016. Dissertação (Mestrado Profissional). Programa de

Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais – Centro Universitário Estadual da Zona

Oeste.

Este presente trabalho visou á determinação do menor tempo possível para austenitização do aço

SAE 4140. A importância desse trabalho dentro da indústria é que qualquer tempo por menor que

seja que possa ser reduzido em um processo pode gerar ganhos altíssimos para uma planta de

tratamento térmico com vários fornos, a estimativa que cada minuto a menos por forno custa R$

3,40, supondo que uma empresa tenha 20 fornos e cada forno faz 15 cargas por dia então um

minuto apenas de redução de processo já geraria uma economia de R$ 1020,00/ dia e cerca de R$

350.000 por ano em uma empresa de grande porte. E a escolha do aço SAE 4140 foi por ele ser

um dos aços mais utilizados na indústria mecânica, devidos as suas propriedades físicas e

metalúrgicas adquiridas facilmente após tratamento térmico. O trabalho consistiu na aquisição de

uma amostra do aço 4140 de grandes dimensões, essa amostra ser cortada em 5 fatias de 1” e 2

pedaços de 2,5” x 4” , sendo essas fatias de 1” temperadas e condições constantes variando-se

apenas o tempo de patamar., Em cada amostra foi feita dureza superficial HRC e analise

mecanográfica afim de se determinar qual o menor tempo necessário para completa

austenitização. Após a determinação desse tempo mínimo em função da espessura( polegadas)

esse tempo será aplicado em uma peça de grandes dimensões e para se verificar se o tempo

determinado como mínimo no experimento foi necessário para a completa transformação

martensítica do material.

Palavras-chave: Austenitização, tratamento térmico, açoSAE 4140 e martensita.

9

ABSTRACT ÍTALO, ItaloCarvalho. Experimental methodology for determining the minimum austenitizing

time to low-alloy steels. 2016. Dissertation (Professional Master). Graduate Program in Materials

Science and Technology - State University Center of the West Zone.

This present study aimed at determining the shortest possible time for austenitizing steel SAE 4140.

The importance of this work within the industry is that any time no matter how small it can be

reduced in a process can generate extremely high gains for a heat treatment plant with several

ovens, estimated that every minute less per furnace costs $ 3.40, assuming a firm has 20 ovens

and each oven is 15 loads per day then one minute reduction process only ever generate savings

of R $ 1,020 00 / day and about $ 350,000 a year in a large company. And the choice of SAE 4140

steel was because he was one of the most steels used in mechanical industry due to their physical

and metallurgical properties easily acquired after heat treatment.The work consisted of the

acquisition of a sample of 4140 steel large, this sample is cut into 5 slices of 1 "and 2 pieces of 2.5"

x 4 ", and these slices 1" temperate and conditions are varying only the threshold time., in each

sample was taken HRC hardness and metallographic analysis in order to determine the shortest

time required to complete austenitization. After determining that minimum time depending on the

thickness (inches) this time will be applied on a piece of large and to verify that the specified time as

a minimum in the experiment was necessary for the complete transformation of the martensitic

material.

Keywords: austenitization, heat treatment, steel SAE 4140 and martensitic.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Diagrama de Equilíbrio Ferro-Carbono

Figura 2 – Esquema de uma microestrutura típica dos aços ferramenta e seus principais

constituintes.

Figura 3 – Esquema representando o cisalhamento e a superfície associados à formação da

martensita.

Figura 4 – Célula TCC e a relação c/a.

Figura 5 – Efeito do teor de carbono nos parâmetros a e c da martensita.

Figura 6 – Aspecto da estrutura típica de uma martensita escorregada (0,03%C, 2%Mn). Ataque

Nital 2%.

Figura 7 – Martensitamaclada (1,2%C). Ataque Nital 2%.

Figura 8 – Estrutura martensítica mista (0,57%C). Martensitamaclada (M) presente em martensita

escorregada.

Figura 9 – Esquema simplificado da têmpera por indução.

Figura 10 - Esquema simplificado da têmpera por chama.

Figura 11 – Barra adquirida junto à empresa Gerdau Aços Especiais

Figura 12 – Amostra sendo cortada através de maquina de fita de serra.

Figura 13 – Amostras cortadas e tipadas preparadas para tratamento térmico.

Figura 14 –Detalhes da tipagem.

Figura 15– Forno de atmosfera controlada- fabricante Combustol.

Figura 16 – Entrada no forno câmara, para tratamento de têmpera.

Figura 17 –Saída do tratamento de têmpera.

Figura 18 – Forno câmara Nº 22.

Figura 19 – Gráfico da amostra 1 tempo de 5 minutos.





Figura 24 – Teste de dureza Rockwell C na amostra R.

Figura 25 – Teste de dureza Rockwell C na amostra nº 1.



Figura 28 – Cortadora metalográgica, marca TECLAGO.

Figura 29 – Microscópio digital, marca OPTON.

Figura 30 – Velocidade de transformação da martensita.

Figura 31 –Transformação da austenita e martensita

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Figura 32 – Dureza x charpy (Resistência ao Impacto).

Figura 33 – (a) micrografia da martensita e (b) micrografia do revenido.

Figura 34 –Transformação da martensita x Temperatura.

Figura 35 – Equipamento de ensaio de dureza Rockell, marca PANTEC.

Figura 36 –metalografia amostra 1 aumento 200X

Figura 37 – metalografia amostra 1 aumento 400X









Figura 45 – metalografia amostra R aumento 400X

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Influência dos metais de liga nos aços ferramentas.

Tabela 2 – Elementos constituintes da microestrutura dos aços ferramenta e suas propriedades.

Tabela 3 – Dados sobre difusão do B, C e Ni no Ferro.

Tabela 4 – Composição SAE 4140.

Tabela 5 –Distribuição para tratamento das amostras.

Tabela 6 –Aplicações para diferentes métodos de dureza Rockwell.

Tabela 7 – Resultados do ensaio de dureza Rockwell

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

AISI - American Iron and Steel Institute

CIMM – Centro de Informação Metal Mecânica

M/P – Metalurgia do Pó

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SUMÁRIO

Resumo Abstract Lista de figuras Lista de tabelas Lista de abreviaturas e siglas 1. INTRODUÇÃO............................................................................................... 2. OBJETIVOS................................................................................................... 2.1. Objetivo Geral ................................................................................. 2.2. Objetivo Específico ......................................................................... 2.3. Justificativa ..................................................................................... 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................

3.1. Aço SAE 4140................................................................................... 3.2. Diagrama de equilíbrio Fe-C ............................................................ 3.3. Influência dos elementos de liga...................................................... 3.4. Microestrutura ................................................................................. 3.4.1. Martensita ..................................................................................... 3.4.2. Martensita revenida....................................................................... 3.5. Tratamentos .................................................................................... 3.6. Tratamentos Térmicos..................................................................... 3.6.1. Têmpera (austenitização) ............................................................. 3.6.2. Revenido ...................................................................................... 3.6.2.1. RevenimentoPrensado ............................................................. 3.7. Tratamento Termoquímico ..............................................................

4. MATERIAIS E MÉTODOS.............................................................................

4.1. Material de base do estudo ............................................................. 4.2. Tratamento térmico .......................................................................... 4.3. Teste de Dureza Rockwell................................................................ 4.3.1. Preparação da Superfície ............................................................. 4.3.2. .Realização do Ensaio .................................................................. 4.4. Microscópica Óptica.........................................................................

5. RESULTADOS E DISCURSSÕES................................................................

5.1. Resultado gráfico do tratamento térmico.......................................... 5.1.1. Efeito da velocidade de resfriamento............................................. 5.1.2. Têmpera e Revenido..................................................................... 5.2. Resultado do teste de dureza ..........................................................

I II III VI VII 16 17 17 17 17 18 18 18 20 22 24 30 31 31 33 35 35 36 37 37 40 46 47 47 50 52 52 52 53

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5.3. Microestrutura .................................................................................. 5.3.1Comentários sobre asmicroestruturas............................................. 6. CONCLUSÕES.............................................................................................. 7. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS............................................ 8. REFERÊNCIABIBLIOGRÁFICA....................................................................

57 62 66 67 68

16

1. Introdução

Com o avanço de novas tecnologias, aumento da competitividade e busca por otimização

de processos, qualquer ganho na cadeia produtiva terá um impacto bem expressivo em um

resultado da operação de uma planta produtiva.

Os tratamentos térmicos visam melhorar as qualidades e resistência do material em

questão, fornecendo-os qualidades mais especificas para cada tipo de aço a ser usado. Eles

apresentam grande importância, pois os mesmos mudam a estrutura do material e não afetam sua

composição química, exceto os tratamentos termoquímicos que alteram superficialmente as

composições químicas, acrescentam muitas vezes carbonetos.

Os estudos presentes abordam a determinação do menor tempo possível para que ocorra

completa austenitização de um dos aços mais utilizados pela indústria metal mecânica da nossa

atualidade que é o aço SAE 4140.

O aço SAE 4140 é um aço carbono de baixa liga, membro da família dos aços ferramenta,

que se caracteriza por pequenas quantidades de elementos de liga. Esses elementos adicionados

ao aço 4140 melhora muito suas características. Assim sendo, pelo fato do aço 4140 manter-se

relativamente simples, é utilizado em um número bastante elevado de aplicações, quando

comparado a muitos outros aços mais especializados, como, por exemplo, os das séries D e S.

O teor de carbono nos aços 4140 varia entre 37 e 43%C. Os principais elementos de liga

são o Manganes, Cromo, Molibdênio e Si. Possui ainda como elementos residuais o Fosforo (0,033

%) e o Enxofre (0,04%), inerentes ao processo de produção do aço, na aciaria. Por isso, possui

boa resistência mecânica; média usinabilidade, média soldabilidade e média temperabilidade.

Pelo fato do aço SAE 4140 ser moderadamente simples, com razoável grau de dureza

(após a têmpera) e resistência à tração, ele é extremamente útil para aplicações como:

engrenagens usinadas, parafusos, porcas, rolamentos, cilindros, eixos hidráulicos, anéis, pinos,

bielas, eixos de manivelas, entre outras aplicações. É também utilizado em componentes

estruturais, na indústria agrícola, na indústria automobilística em geral, máquinas e equipamentos.

No presente trabalho, amostras do aço SAE 4140foram submetidos à têmpera em

condições controladas, com variações de tempo de patamar para se chegar a um determinante de

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qual o menor tempo necessário. Após o tratamento térmico, as amostras foram submetidas a

ensaios de dureza superficial, dureza de núcleo. Foram feitos estudos metalográficos para

determinar se ocorreu a transformação completa para estrutura martensítica que é o que se busca

se falando de aços para utilização em componentes mecânicos.

2.Objetivos

2.1. Objetivo geral

• Aumentar produtividade e reduzir custos em uma planta de tratamento térmico.

2.2Objetivo específico

• Estudar o comportamento metalográfico.

• Qualificar e deteminar o tempo mínimo necessário para a completa austenitização de um aço

baixa liga

• Mensurar a economia de tempo e custo.

2.3 Justificativa

Competitividade do mundo globalizado, as empresas buscam soluções para reduzir seus custos

de produção.

Sensíveis economias na produção de peças de tratamento térmico podem ser observadas

com a diminuição de paradas para reparo, com decréscimo de rejeito de ferramentas após o

Tratamento Térmico (devido a distorções, trincas, dentre outros). Além disso, torna-se importante

acrescentar que, a troca de ferramentas pode ser um trabalho longo e difícil, causando atrasos na

produção.

Nesse contexto qualquer ganho de tempo em uma simples fornada de tratamento térmico

ao se avaliar como uma grande ou média indústria com elevado numero de fornos já chega-se a

uma economia bastante relativa que para a nossa atualidade atual de nossas indústrias é algo

que não pode ser ignorado.

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3. Revisão Bibliográfica

3.1. Aço SAE 4140

De uma forma geral, os aços encontram grande empregabilidade em uma série de

aplicações, entre eles os aços de baixa liga da família SAE 4140. Esses aços com teores médios de

0,4% de carbono, ligados ao Cromo e Molibdênio, atingem altaresistência e elevada dureza,

através de tratamentos térmicos de têmpera e revenido (RIBEIRO, 2009). São amplamente

utilizados na indústria, não somente em equipamentos de baixo custo, mas também em

equipamentos de alta responsabilidade que requerem tensão limite de escoamento entre 410

MPa e 965 Mpa, podendo alcançar um limite de resistência à tração de até 1650 Mpa. Esses

valores podem ser obtidos através de tratamentos convencionais de têmpera e revenido. O aço

SAE 4140 pode assumir os teores de carbono entre 0,37% e 0,43% (CHIAVERINI, 1971). Os

principais aços da família são AISI/SAE 4130, 4140 e 4145, sendo os dois últimos os mais aplicados

na indústria metal-mecânica (ASM Handbook, 1990). O aço da série 4140, também chamado de

aço-cromo-molibdênio é classificado como aço médio carbono ligado para beneficiamento,

podendo ser usado em temperaturas relativamente altas de até 480°C, pois acima disso sua

resistência diminui rapidamente com o aumento da temperatura (Rocha, 2004). Este tipo de aço

possui em torno de 0,4% de carbono em sua estrutura, sendo considerado um aço de médio

carbono. Possui características tais como alta temperabilidade, má soldabilidade e usinabilidade

razoável; além disso, este aço apresenta boa resistência à torção e à fadiga e a dureza na condição

temperada varia de 54 a 59 HRC. Este aço é empregado em peças que exigem elevada dureza,

resistência e tenacidade, sendo de uso recorrente na fabricação de automóveis, aviões,

virabrequins, bielas, eixos, engrenagens, armas, parafusos, equipamentos para petróleo, dentre

outros (Rocha, 2004).

3.2. Diagrama de equilíbrio Fe

A base para se compreender as estruturas

de resfriamento,com taxas dif

1, a seguir. Este diagrama define a composição das regiões de temperatura em que as várias fases

em aço estão estáveis, assim como os limites de equilíbrio

1994).

Figur

Neste diagrama são consideradas duas regiões, uma até 2% de carbono, que corresponde

aos aços e outra acima desse valor, que compreende os ferros fundidos.

Diagrama de equilíbrio Fe-C

A base para se compreender as estruturas obtidas para diferentes tempera

com taxas diferentes, está descrita no diagrama ferro carbono,

Este diagrama define a composição das regiões de temperatura em que as várias fases

em aço estão estáveis, assim como os limites de equilíbrio entre os campos de fase (KARUSS

Figura 1 – Diagrama de Equilíbrio Ferro-Carbono.


aos aços e outra acima desse valor, que compreende os ferros fundidos.

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obtidas para diferentes temperaturas e meios

crita no diagrama ferro carbono, mostrado nafigura

Este diagrama define a composição das regiões de temperatura em que as várias fases

entre os campos de fase (KARUSS,


20

3.3. Influência dos elementos de liga

Para cada material é necessário um conjunto de propriedades diferentes. A classificação

do American Iron and Steel Institute (AISI) é a mais utilizada na indústria de ferramentas, e é

mostrado na tabela 1 abaixo:

Como cada elemento de liga dá ao aço uma característica bem singular, e suas

combinações favorecem certos tratamentos ou aplicabilidades distintas, suas combinações devem

ser feitas de acordo com o produto final ou de acordo com o local de trabalho do mesmo. A adição

de elementos de ligas e seus conteúdos são feitos em função da aplicação em cada aço.

As principais características dos metais de liga adicionados aos açossão mostradas na

Tabela 1:

Tabela 1 – Influência dos metais de liga nos aços ferramentas (CIMM - Centro de

Informação Metal Mecânica).

21

Os elementos de liga, adicionados aos aços ferramenta, além das características mostradas na

Tabela 1, apresentam outras características muito importantes, as quais são a seguir descritas:

• Manganês: Reduz óxidos e evita a incidência de fragilização ao quente causado por

sulfeto de ferro. O manganês reduz a temperatura de austenitização e aumenta a

têmperabilidade, mas somente para o manganês (Mn) com teores de 0,3 a 0,8 %. Caso

teor seja maior (entre 1,2% a 1,6%), há a possibilidade de têmpera com resfriamento mais

brando.

• Molibdênio: Tem a capacidade de formar carbonetos muito complexos no ferro Alfa (α) e

no ferro gama (γ), sua curva TTT (tempo-temperatura-transformação) similaridades com a

do Cromo (Cr). Como o molibdênio (Mo) diminui a temperatura necessária para os

tratamentos de têmpera, e aumenta a têmperabilidade. Este elemento também ajuda a

aumentar a dureza ao quente e a resistência ao desgaste.

• Cromo: Têm a capacidade de formar carbonetos, mas suas dimensões são diferentes das

do manganês e do tungstênio, sendo maior que Mn e menor que W. Possui também as

seguintes características: acelerar o crescimento de grãos aumenta resistência à corrosão

e oxidação, e ainda, a resistência à alta temperatura.

• Vanádio (V): É formador de carbonetos e em pequenas quantidades, aumenta a

tenacidade por reduzir o tamanho de grão. Acima de 1% de Vanádio dá alta resistência ao

desgaste. Em combinação com outros elementos de liga como Cr, Mo e Tungstênio (W)

promovem o aumento da resistência ao rubro.

• Silício (Si): Atua como um elemento endurecedor dissolvendo-se na ferrita. Aumento da

temperatura de transformação reduz a variação de volume γ- α. Quando está presente

entre teores 0,01% e 0,06%, apresenta boa capacidade de têmpera e pode reduzir a

velocidade crítica do resfriamento.

• Níquel (Ni): Possui característica de diminuir a velocidade crítica de resfriamento,

oferecendo maior profundidade da têmpera. Implica diretamente no tamanho do grão, o

tornando mais fino. Pode fornecer mais resistência à corrosão e ao calor quando em teores

elevados e em combinação com o cromo.

• Tungstênio: Forma carbonetos aumentando a dureza, a resistência à alta temperatura, o

limite de resistência à tração, a resistência à abrasão e a dureza a quente. Porém reduz a

condutividade térmica dos aços.

Os elementos de ligas oferecem uma possibilidade de combinações grandes quando, se é

efetuado os tratamentos térmicos e termoquímicos. Suas opções aumentam e fornecem a

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variabilidade necessária para cumprir requisitos tecnológicos e industriais. Estes tratamentos

envolvem modificações estruturais na cristalização dos metais, e alguns numa recombinação

superficial envolvendo esses elementos. (CIMM)

3.4 Microestrutura

Os aços ferramenta, de uma maneira geral, são fornecidos pelos fabricantes na condição

recozida e aplicados após Tratamento de Têmpera e Revenido.

O fornecimento dos aços ferramenta na condição recozida (dureza na faixa de HV 220 a

300) se justifica pela facilidade de se conformar e usinar os mesmos neste estado. A aplicação dos

aços ferramenta após a seqüência de tratamentos como Austenitização, Têmpera e Revenido se

baseia na necessidade destes materiais resistirem aos fenômenos de desgaste, presentes nas

operações envolvendo ferramentas.

Os mais relevantes elementos microestruturais, presentes nos aços ferramenta são a

matriz metálica, os finos precipitados nela presentes e as partículas duras, também envolvidas pela

matriz.

A matriz é responsável pela maior fração volumétrica da microestrutura, sendo esta

normalmente martensita revenida. Já os finos precipitados apresentam tamanho máximo de 50nm

e na maioria dos casos são coerentes com a matriz, destacando-se os carbonetos de

endurecimento secundário e fases intermetálicas (JUNIOR, A. B., 2001).

A figura 2 apresenta, de forma esquemática, os principais elementos microestruturais

presentes nos aços ferramenta Temperados e Revenidos (JUNIOR, A. B., 2001).

23

Figura 2 – Esquema de uma microestrutura típica dos aços ferramenta e seus principais

constituintes (JUNIOR, A. B., 2001).

A tabela 2 apresenta uma relação entre os elementos principais constituintes da

microestrutura dos aços ferramenta, mostrados na figura 2, e suas respectivas propriedades:

Constituintes Propriedades Relacionadas

Matriz Metálica

(Martensita revenida)

- Tenacidade

- Dureza

- Fonte de C para endurecimento secundário

- Fixar e estabilizar precipitados duros

Tabela 2 – Elementos constituintes da microestrutura dos aços ferramenta e suas propriedades

(JUNIOR, A. B., 2001).

Observa-se pela tabela 2 e figura 2 que o desenvolvimento de novas ligas de aço ferramenta,

passa por uma otimização, dos seus principais constituintes microestruturais, com o objetivo de se

alcançar as propriedades específicas para uma dada aplicação.

24

3.4.1 Martensita

Embora os aços ferramenta sejam fornecidos pelos fabricantes no estado recozido, os mesmo são

aplicados nas condições temperados e revenidos, visando aliar alta dureza e parcial tenacidade.

Em se tratando de Metalurgia, transformações martensíticas ocorrem em aços, outras ligas

a base de ferro e sistemas não ferrosos como Cu-Al e Au-Cd (REED-HILL, R.E, 1973).

No caso particular dos aços, a martensita é o produto do resfriamento rápido da austenita,

caracterizando a transformação de fase pela não presença da difusão atômica. O resfriamento

rápido é necessário para justamente prevenir a decomposição da austenita por processo

difusional, formando produtos como a Ferrita e a Perlita (American Society For Metals, 1983). Isto

significa que sob determinadas taxas de resfriamento, os átomos de carbono podem se difundir

fora da estrutura austenítica (CFC - cúbica de face centrada) quando esta lentamente se

transforma em ferrita (CCC - cúbica de corpo centrada). Esta transformação da austenita para

ferrita ocorre através dos processos de nucleação e crescimento, sendo dependente do tempo.

Com um significante aumento na taxa de resfriamento, o carbono não possui tempo suficiente para

se difundir, embora átomos de ferro tenham se movimentado. A estrutura resultante, neste caso,

não se transforma em cúbica de corpo centrada, uma vez que o carbono fica preso na solução. A

estrutura resultante é chama de martensita, estrutura esta supersaturada de carbono, responsável

pela alta resistência mecânica, associada à alta dureza e resistência ao desgaste. Tais

características são atribuídas às mencionada estrutura supersaturada de carbono, bem como à

fina condição que se apresenta à subestrutura desta fase (AVNER, S.H., 1974).

A transformação martensítica inclui ainda vários aspectos como geometrias resultantes,

estruturas cristalinas unitárias e subestruturas, aspectos estes que variam conforme a composição

química do aço em questão.

A martensita se forma por mecanismo de cisalhamento representando na figura 3, a qual

traz os mais relevantes aspectos desta transformação (JUNIOR, A. B., 2001).

Figura 3 – Esquema representando o cisalhamento e a superfície associados à formação da

As setas verdes da figura 3 indicam a direção do cisalhamento no plano que a

transformação se iniciou. O cisalhamento resulta numa rotação do plano horizontal original da fase

austenítica precursora, característica importante da transformação

Os planos cristalográficos preferenciais da austenita, os quais variam de acordo com a

composição química do aço, são aqueles onde os cristais de martensita se

planos de hábito, um deles representado na figura

Outra característica importante representada na figura 3 é a chamada “espinha de peixe”,

considerada como o plano de início da formação de uma placa de martensita.

Nosaços, a martensita é derivada da austenita que apresenta estrutura cúbica

(CFC). A martensita por sua vez pode se apresentar cúbica de corpo centrada (CCC), hexagonal

compacta (HC) ou tetragonal de corpo centrado (TCC).

A maioria dos aços médios e alto carbono, como os aços ferramenta, formam mart

como estrutura tetragonal de corpo centrado (TCC), uma forma distorcida da estrutura cúbica de

corpo centrado (CCC). Tal fato se dá porque os átomos de carbono nestes aços ocupam apenas

uma das três possíveis posições intersticiais do octaedro. A te

entre os eixos a e c, aumenta com o teor de carbono, conforme equação 1 e figura 4 (JUNIOR, A.

B., 2001).

Esquema representando o cisalhamento e a superfície associados à formação da

martensita.



austenítica precursora, característica importante da transformação martensítica.


composição química do aço, são aqueles onde os cristais de martensita se formam

planos de hábito, um deles representado na figura 3.


considerada como o plano de início da formação de uma placa de martensita.

Nosaços, a martensita é derivada da austenita que apresenta estrutura cúbica


compacta (HC) ou tetragonal de corpo centrado (TCC).

A maioria dos aços médios e alto carbono, como os aços ferramenta, formam mart



uma das três possíveis posições intersticiais do octaedro. A tetragonalidade, medida pela relação

, aumenta com o teor de carbono, conforme equação 1 e figura 4 (JUNIOR, A.

25

Esquema representando o cisalhamento e a superfície associados à formação da



martensítica.


formam chamados de


Nosaços, a martensita é derivada da austenita que apresenta estrutura cúbica de face centrada


A maioria dos aços médios e alto carbono, como os aços ferramenta, formam martensita



tragonalidade, medida pela relação

, aumenta com o teor de carbono, conforme equação 1 e figura 4 (JUNIOR, A.

(1)

A figura 4 e a equação 1 mostram que para uma porcentagem nula de C, obtêm

estrutura cúbica, livre de distorção.

O efeito do teor de carbono nos parâmetros

figura 5 (JUNIOR, A. B., 2001).

Figura 5 – Efeito do teor de carbono nos parâmetros

Figura 4 – Célula TCC e a relação c/a.

4 e a equação 1 mostram que para uma porcentagem nula de C, obtêm

estrutura cúbica, livre de distorção.

O efeito do teor de carbono nos parâmetros a e c da martensita também se encontram na

figura 5 (JUNIOR, A. B., 2001).

ito do teor de carbono nos parâmetros a e c da martensita.

26

4 e a equação 1 mostram que para uma porcentagem nula de C, obtêm-se

da martensita também se encontram na

da martensita.

Observa-se pela figura 5 que à medida que se eleva o teor de C nos aços, maior a relação

c/a, portanto maior a tetragonalidade da martensita formada.

Assim como inúmeros campos de pesquisa incluídos na Metalurgia Física, o entendimento

da estrutura martensítica dos metais ferrosos, obteve importante avanço quando as técnicas de

microscopia eletrônica de transmissão foram empregadas para ob

dois mecanismos de deformação plástica, escorregamento e maclação, observados nas

transformações martensíticas, pode ser mais compreendido. A partir deste período, sob o ponto de

vista cristalográfico, a martensita pode ser cla

(“lathmartensite”) e martensitamaclada (“platemartensite”) (JUNIOR, A. B., 2001).

A martensita escorregada, mais comum em aço baixo e médio carbono, possuem planos

de hábitos que normalmente podem sofrer var

de acordo com a porcentagem de carbono. Aços com baixo teores de carbono apresentam plano

de hábito enquanto 0,5 a 1,4% de carbono apresentam plano de hábito

com carbono superior a 1,4% de carbono

orientação entre o novo reticulado martensítico, tetragonal, com a austenita (JUNIOR, A. B., 2001).

As unidades de martensita se formam no contorno das linhas de escorregamento,

agrupadas em grandes pacotes. A subestrutura consiste de alta densidade de discordâncias

arranjadas em células. Cada martensita escorregada é composta de inúmeras células de

discordâncias com largura média de 2500

é estimada em 0,3 a 0,9x1012

Figura 6 – Aspecto da estrutura típica de uma martensita escorregada (0,03%C, 2%Mn). Ataque

Nital 2% (American Society For Metals, 1983).

se pela figura 5 que à medida que se eleva o teor de C nos aços, maior a relação

, portanto maior a tetragonalidade da martensita formada.



microscopia eletrônica de transmissão foram empregadas para observação desta estrutura. Os

de deformação plástica, escorregamento e maclação, observados nas


vista cristalográfico, a martensita pode ser classificada em martensita escorregada



de hábitos que normalmente podem sofrer variações dentro de casa grão. O plano de hábito muda


enquanto 0,5 a 1,4% de carbono apresentam plano de hábito

com carbono superior a 1,4% de carbono apresentam plano . Há também uma relação da



s pacotes. A subestrutura consiste de alta densidade de discordâncias


discordâncias com largura média de 2500 ( SPEICH, G.R., 1969). A densidade de discordâncias 12 cm/cm³.

Aspecto da estrutura típica de uma martensita escorregada (0,03%C, 2%Mn). Ataque

Nital 2% (American Society For Metals, 1983).

27

se pela figura 5 que à medida que se eleva o teor de C nos aços, maior a relação



servação desta estrutura. Os

de deformação plástica, escorregamento e maclação, observados nas


ssificada em martensita escorregada



iações dentro de casa grão. O plano de hábito muda


enquanto 0,5 a 1,4% de carbono apresentam plano de hábito . Aços

. Há também uma relação da



s pacotes. A subestrutura consiste de alta densidade de discordâncias


( SPEICH, G.R., 1969). A densidade de discordâncias

Aspecto da estrutura típica de uma martensita escorregada (0,03%C, 2%Mn). Ataque

Outro tipo de martensita, mais predominante em aços alto carbono é a martensitamaclada

unidades de martensita se formam como placas lenticulares individuais. A subestrutura da

martensitamaclada consiste de finas maclas com espaçamento de aproximadamente 50

maclas geralmente não se prolongam para fora dos limites de placa, mas s

deslocamentos complexos junto à periferia da placa. A figura 7 apresenta uma estrutura típica de

martensitamaclada em aço baixo carbono 1,2%C.

Figura 7 – Martensitamaclada (1,2%C). Ataque Nital 2% (American Society For Metals, 1983).

Aços médio carbono podem apresentar uma mistura de martensita escorregada e

maclada, conformo mostra a figura 8:

Figura 8 – Estrutura martensítica mista (0,57%C). Martensitamaclada (M) presente em martensita

escorregada (American Society For

Outro tipo de martensita, mais predominante em aços alto carbono é a martensitamaclada


martensitamaclada consiste de finas maclas com espaçamento de aproximadamente 50

maclas geralmente não se prolongam para fora dos limites de placa, mas s


martensitamaclada em aço baixo carbono 1,2%C.

Martensitamaclada (1,2%C). Ataque Nital 2% (American Society For Metals, 1983).


maclada, conformo mostra a figura 8:

Estrutura martensítica mista (0,57%C). Martensitamaclada (M) presente em martensita

escorregada (American Society For Metals, 1983).

28

Outro tipo de martensita, mais predominante em aços alto carbono é a martensitamaclada. As


martensitamaclada consiste de finas maclas com espaçamento de aproximadamente 50 . Essas

maclas geralmente não se prolongam para fora dos limites de placa, mas se degeneram em


Martensitamaclada (1,2%C). Ataque Nital 2% (American Society For Metals, 1983).


Estrutura martensítica mista (0,57%C). Martensitamaclada (M) presente em martensita

29

3.4.2.Martensita revenida

Uma vez que as estruturas martensíticas são reconhecidamente frágeis, o tratamento térmico do

Revenido se torna fundamental para o resgate parcial de uma estrutura com maior tenacidade. Na

prática, o Revenido é um tratamento térmico subcrítico que consiste em submeter os aços

temperados a uma faixa de temperatura inferior a eutetóide, promovendo um patamar, seguido

novamente de resfriamento até a temperatura ambiente, por repetidas vezes, se necessário

(WILSON, R., 1975). Tal processo envolve a segregação do carbono em defeitos do reticulado, a

precipitação de carbonetos, a decomposição da austenita retida e a recuperação e recristalização

da estrutura martensítica. Assim, o objetivo do tratamento do Revenido é facilitar fenômenos de

difusão para se alcançar uma estrutura mais estável e menos frágil. Tais fenômenos ocorrem em

escala nanoscópica e assim como no caso da martensita, somente a partir do aperfeiçoamento das

técnicas de microscopia eletrônica de transmissão (MET) em meados da década de 50, assim

como do desenvolvimento de ensaios de difração de elétrons em áreas selecionadas, foi possível

se compreender com mais exatidão os detalhes de uma estrutura martensítica revenida

(MONTEIRO, W.A.; BUSO, E.J. 2000).

Antes mesmo de se aplicar o tratamento térmico do Revenido, os aços temperáveis

podem, durante o próprio processo de resfriamento da temperam, sofrer um processo de

Revenimento enquanto se forma a martensita, principalmente quando a temperatura de início de

formação desta última é relativamente elevada, possibilitando os processos de difusão do carbono.

Este fenômeno recebe o nome de auto-revenido, sendo dependente da velocidade de

resfriamento, responsável por ditar o tempo de permanência nessas temperaturas. Devido aos

campos de tensão que circundam individualmente cada discordância e cada parede de martensita,

certas posições intersticiais do reticulado, próximas a estes defeitos, promovem locais de baixa

energia para o carbono, em relação às posições intersticiais normais do reticulado. Na realidade,

quando a martensita é revenida a baixas temperaturas, o primeiro fenômeno observado é a

redistribuição do carbono para estes locais de baixa energia. Tal segregação ou redistribuição do

carbono não pode ser detectada por ensaios convencionais, como técnicas metalográficas

(JUNIOR, A. B., 2001).

3.5. Tratamentos

30

Como os processos de produção nem sempre fornecem materiais com a estrutura

requerida para determinada utilização, se faz necessário passar por alguns tratamentos térmicos

ou termoquímicos.

“Operações de aquecimento e resfriamento subsequentes dentro de condições controladas

de temperatura, tempo à temperatura, ambiente de aquecimento e velocidade de resfriamento”

(CHIAVERINI, V., 1986,) e “tratamentos de aquecimento e resfriamento controlados, são

destinados a mudar as características dos aços e das ligas especiais” (SANTOS, R.R., 2014), são

definições básicas para os tratamentos térmicos.

Os tratamentos térmicos têm duas divisões, os tratamentos térmicos também, conhecido

como tratamento termomecânico (quando existem esforços mecânicos além de sua temperatura),

e os tratamentos termoquímicos. Enquanto os tratamentos térmicos têm por definição: mudar

apenas as estruturas dos materiais sem que se altere de maneira ou forma alguma a sua

composição química, temos os tratamentos termoquímicos que como no nome, são tratamentos

que em sua maioria, altera por princípio similar as estruturas dos materiais, mas com acréscimo de

material químico no processo.

3.6. Tratamentos Térmicos

Os tratamentos termoquímicos são processos que visam à adição de Carbono, Nitrogênio e Boro

na superfície dos aços e ligas. Como a difusão desses elementos nos aços só é significativa em

temperaturas elevadas (500-1000 oC) esses tratamentos são chamados de Termoquímicos

(VILLARES METALS, 2014).

Essa modificação é dada através da aplicação de calor em um meio apropriado. A alteração

da composição química do aço atinge uma profundidade da camada que depende da temperatura

de aquecimento e do tempo de permanência a essa temperatura no meio escolhido. Durante a

exposição, a peça é enriquecida de elementos exterior, por difusão. A maioria dos processos

industriais de tratamentos termoquímicos inclui o enriquecimento, por difusão, das camadas

superficiais da peça com metais e não metais do meio exterior ativo (CHIAVERINI, V., 2003).

O objetivo principal é aumentar a dureza e a resistência ao desgaste da superfície, sem

afetar o núcleo do material, que deve ser mantido dúctil. Existem alguns fatores fundamentais que

influenciam o controle do processo. Entre eles pode ser destacado:

O Potencial do Meio: Sendo esse meio sólido, liquido ou gasoso de fornecer os elementos

químicos, entre eles o carbono, o nitrogênio ou o boro. Além disso, outro fato muito importante é a

capacidade da peça de absorver o elemento químico que ela foi submetida à reação. Devido à

31

solubilidade e difusão do elemento químico no aço. .Afinal cada elemento possui uma determinada

afinidade com outra substância (HONEYCOMBE, R.W.K., 1982).

Segundo SARTORI, ao contrário do que muitos pensam o principal objetivo do tratamento

térmico não é aumentar a resistência a desgaste.

De fato o tratamento térmico, afeta o aço como um todo, enquanto que a questão do

desgaste limita-se à superfície. Na realidade, o verdadeiro objetivo do tratamento térmico é

promover uma MODIFICAÇÃO MICROESTRUTURAL. Também no caso dos aços ferramenta, o

grande objetivo do tratamento térmico, particularmente a têmpera é fazer uma alteração

microestrutural, obtendo-se uma estrutura de alta resistência mecânica, usualmente traduzida por

um aumento de dureza. Entretanto, o aumento de dureza é apenas uma conseqüência desta

alteração microestrutural, não devendo, nunca ser considerado um fim em si mesma (SARTORI,

C.H., 2015).

Para garantir o enriquecimento da peça com elementos do exterior existem três processos

que ocorrem simultaneamente. O primeiro processo é a formação do elemento químico no estado

atômico ativo como resultado de vaporização. O segundo processo é a adsorção dos átomos na

superfície da peça. O processo pode incluir a simples adsorção física onde formam camadas

monoatômicas ou poliatômicas de adsorção em toda a superfície da peça, ou em suas regiões

ativas que formam as camadas pelas forças de Wan der Waals. O terceiro processo seria a difusão

dos átomos adsorvidos desde a superfície para o interior da peça. A adsorção ocorre muito rápido,

e a difusão ocorre lentamente. A concentração do interior da peça depende da difusão (tabela 3).

Por isso a atenção básica é outorgada aos princípios da difusão (HONEYCOMBE, R.W.K., 1982).

Elemento

Ferro α Ferro y

Q Q

Cal/mol /s Cal/mol

Boro 62000 21000

Carbono 19300 3,3x 27000

Nitrogênio 18900 7,8x 40000

Tabela 3 – Dados sobre difusão do B, C e Ni no Ferro (NOVIKOV, I., 1994)

Para a engenharia essas possíveis aplicações têm uma grande importância, pois permite que se

empreguem aços com elementos de liga, conseguindo um núcleo de elevada resistência e com

uma superfície dura, o que resulta materiais que suportam elevados graus de tensões.

3.6.1. Têmpera (austenitização)

A Têmpera é um dos processos utilizados no tratamento térmico de metais para aumentar

a dureza e conseqüente resistência dos mesmos. O processo da têmpera consiste em duas

32

etapas: aquecimento e esfriamento rápido. O aquecimento visa obter a organização dos cristais do

metal, numa fase chamada austenitização. O esfriamento brusco visa obter a estrutura martensita

(METAL HARTE, 2014; FERMAC, 2014).

Na têmpera o aquecimento é superior à temperatura crítica, que é de 727°C. O objetivo é

conduzir o aço a uma fase, na qual se obtém o melhor arranjo possível dos cristais do aço, para

obter a futura dureza. Após dessa fase o aço pode ser submetido a outras fases, dependendo das

necessidades. A temperatura nessa fase é temperatura de austenização. Cada aço tem sua

composição à temperatura que varia de aço para aço. A têmpera é obtida em temperaturas

diferentes, o que depende da composição do aço da peça e dos seus objetivos. Portanto, a

têmpera de uma dada peça leva em consideração muitos fatores (FERMAC, 2014).

O próprio tempo de exposição da peça na temperatura de austenização é considerado

quando se faz a sua têmpera. Cada aço tem uma temperatura de austenização, e que é aquela

que proporciona o máximo de dureza. Essa temperatura é obtida dentro de fornos, os quais podem

ser por chama ou por indução elétrica. A austenização, e conseqüentemente a têmpera, pode

ocorrer apenas na superfície da peça ou em toda ela.

Figura 9 – Esquema simplificado da têmpera por indução (MSPC, 2014)

A figura 9 exibe um esquema simplificado da têmpera por indução. O aquecimento é

dado por uma bobina de indução à qual se aplica por um determinado certo tempo, uma corrente

alternada cuja freqüência pode ser de alguns quilohertz a poucos mega-hertz, dependendo das

dimensões da peça e da profundidade desejada de têmpera. Em geral, a bobina tem algum meio

33

de refrigeração para prevenir o próprio aquecimento, como tubo com água conforme a figura 9

(MSPC, 2014).

Figura 10 - Esquema simplificado da têmpera por chama (MSPC, 2014)

Na têmpera por chama, o aquecimento é dado pela combustão de algum gás como

acetileno, propano ou outros. A figura 10 exibe um esquema simplificado. Nos equipamentos

práticos, a peça pode girar para obter um aquecimento uniforme; ou vários outros arranjos podem

ser usados de acordo com a geometria da peça, como aplicações comuns de barramento, dentes

de engrenagens, cames, eixos e outros (MSPC, 2014).

Alguns valores típicos de têmpera por chama são: temperatura 815°C, profundidade

4,5mm, dureza até 65HRC. Naturalmente, para ambos os processos (indução e chama), o aço

deve ter teor de carbono suficiente para permitir a têmpera, em geral acima de 0,4%C (MSPC,

2014).

A segunda etapa da têmpera é o resfriamento, o qual deve ser brusco, em óleo ou água.

A rapidez do resfriamento é importante para impedir que o aço mude para fase diferente daquela

que se obteve na temperatura de austenização (obter estrutura martensítica). Quase sempre, após

a têmpera, a peça é submetida ao Revenimento (FERMAC, 2014).

A têmpera aumenta a dureza do aço e tornar mais elevado seu limite de escoamento e

sua resistência à tração, à compressão e ao desgaste. A resistência elétrica também se eleva. Em

conseqüência da têmpera diminuem, porém, a resistência ao choque, o alongamento, a estricção,

a ductilidade, etc. (COLPAERT, H., 1974).

Contudo, dá ainda aos aços duros a faculdade de manter melhor o magnetismo, isto é,

conservar-se imantado mais fortemente, depois de submetido a um campo magnético. Por isso,

34

são aço temperado os ímãs permanentes, como os dos magnetos, as agulhas das bússolas, etc.

(COLPAERT, H., 1974).

3.6.2. Revenido

O processo térmico de Revenimento tem por objetivo corrigir aços cuja tenacidade é frágil

e a dureza excessiva, resultando em aços de tenacidade aumentadas (METAL HARTE, 2014).

Revenimento é o reaquecimento das peças temperadas, a temperaturas abaixo da linha inferior de

transformação do aço. Dependendo da temperatura resulta em pequena ou grande transformação

da estrutura martensítica. (FERMAC, 2014).

Na faixa de 140°C e 200°C não há alterações expressivas num aço, a dureza cai para 58

a 60RC dependendo da composição do aço. O revenimento, nesta faixa de temperatura mudou

pouco o aço.

Na faixa de 210°C e 260°C as tensões são alteradas, e começa a baixar a dureza, e não

teve nenhuma modificação na estrutura considerável. O revenimento inicia a alteração da

estrutura.

Na faixa de 270°C e 360°C começa a precipitação de carbonetos finos. O revenimento já

faz mudanças maiores na estrutura.

Na faixa 370°C e 730ºC a transformação na estrutura é maior. Conforme a temperatura de

revenimento é maior, a Cementita precipita fica mais grossa e se tornam visíveis numa matriz

férrica. A 730ºC o revenimento pode levar a uma queda da dureza significativa.

Aços altamente ligados apresentam um comportamento diferente no revenimento, pois a

faixa de 500°C e 600ºC apresenta precipitação de carboneto de liga (endurecimento secundário).

3.6.2.1. Revenimento prensado

Este processo é determinado pela necessidade da pela manter suas dimensões críticas

dentro dos limites especificados. Ele é realizado após uma têmpera ou após um trabalho de

estampagem ou usinagem, onde se requerer que as medidas da peça (planicidade, mais

especificamente). Permaneçam ou voltem as suas condições de desenho. Todo o processo é

desenvolvido e acompanhado para cada tipo de peça em questão, com a fabricação de

dispositivos de bloqueio específicos ao Projeto (METAL HARTE, 2014).

3.7. Tratamento Termoquímico

35

Os tratamentos termoquímicos são tratamentos que utilizam a temperatura e mudança

química superficial nos materiais. Tem como objetivo aumentar dureza e resistência ao desgaste

de superfície. Mantém o interior da peça intocado, ou seja, o interior do mesmo não será afetado,

já que são tratamentos que chegam até certa profundidade e nunca ao núcleo.

Os tratamentos termoquímicos mais comuns são:

• Nitretação -Tratamento termoquímico em que se promove enriquecimento

superficial com nitrogênio em um meio líquido. Aplica-se para peças que

necessitam de alta dureza superficial, alta resistência à fadiga de contato e

submetidas a cargas superficiais elevadas. Disponível para este tratamento:

Fornos de banho de sal.

• Cementação - Tratamento termoquímico em que se promove enriquecimento

superficial com carbono. Aplica-se para peças que necessitam de alta dureza

superficial, alta resistência à fadiga de contato e submetidas a cargas superficiais

elevadas. Disponível para este tratamento: Fornos de banho de sal e fornos de

atmosfera controlada (Tipo Ypsen)

• Carbonitretação - Tratamento termoquímico em que se promove enriquecimento

superficial simultâneo com carbono e nitrogênio. Aplica-se para peças que

necessitam de alta dureza superficial, alta resistência à fadiga de contato e

submetidas a cargas superficiais moderadas. Disponível para este tratamento:

Fornos de atmosfera controlada (Tipo Ypsen)

• Cianetação

• Boretação

4. Materiais e Métodos

4.1. Material de base do estudo

Composição química do aço SAE 4140

(austenitização).

Tabela 4

As amostras de 4140

de 5” x 300mm e foram cortadas em 7 peças sendo 5 amostras de 5” de diâmetro por 1” de

espessura e duas peças maiores

Todas foram tipadas,

Figura 11 –Barra adquirida junto

Material de base do estudo

mposição química do aço SAE 4140, utilizado nos tratamento

Tabela 4 – Composição SAE 4140 (METALS HAND BOOK)

As amostras de 4140 proveniente da Gerdau Aços Especiaisforam cortadas de uma barra

cortadas em 7 peças sendo 5 amostras de 5” de diâmetro por 1” de

s maiorescortadas com 4” de comprimento.

, numeradas de 1 a 5 e a peça maior identificada

Barra adquirida junto à empresa Gerdau Aços Especiais

36

, utilizado nos tratamento de Têmpera

Composição SAE 4140 (METALS HAND BOOK)

Gerdau Aços Especiaisforam cortadas de uma barra

cortadas em 7 peças sendo 5 amostras de 5” de diâmetro por 1” de

identificada com a letra R.

empresa Gerdau Aços Especiais

37

AMOSTRAS TRATAMENTO SUBMETIDO

1 5 minutos de austenitização





R Amostra representando uma peça de produção

Tabela 5 – Distribuição para tratamento das amostras

As amostras foram cortadas em uma maquina de corte de fita de serra com velocidade bem lenta

com a finalidade de evitar ao máximo qualquer alteração na estrutura proveniente de deformações

mecânicas e/ou oriundas de aumento de temperatura durante o corte.

Figura 12 – Amostra sendo cortada através de maquina de fita de serra.

Após o corte as amostras foram tipadas conforme a tabela 05.

38

Figura 13 – Amostras cortadas e tipadas preparadas para tratamento térmico.

Figura 14 – Detalhes da tipagem.

39

4.2. Tratamento térmico

Todas as amostras foram submetidas aos mesmos parâmetros de tratamento térmico

(temperatura/ forno/ atmosfera/meio de resfriamento) com a única variável sendo o tempo de

austenitização a qual foram submetidas.

Foi utilizado um forno de atmosfera controlada modelo T4 do fabricante combustol nos

quais foram mantidos os mesmos parâmetros para todas as peças.

• Velocidade de resfriamento do óleo 98ºC/s

• Temperatura do óleo 40ºC

• Agitação do fluído na têmpera 80 rpm

• Temperatura 860ºC

• Teor de carbono dentro da atmosfera do forno 0,39% de carbono

Figura 15 – Forno de atmosfera controlada- fabricante Combustol

40

Figura 16 – Entrada no forno câmara, para tratamento de têmpera (BRASTÊMPERA).

Sistema de têmpera em óleo: o tanque de têmpera possui camisa dupla, isolada termicamente, e

tem capacidade para aproximadamente 2.000 litros de óleo de têmpera. A recirculação do óleo é

feita por dois agitadores com hélices de ferro fundido e acionamento por motores elétricos de

dupla potência e dupla velocidade (MANUAL DE INSTRUÇÕES COMBUSTOL – Forno elétrico

tipo Batch para tratamento térmico – Modelo T-4E).

Temperatura máxima: 1000°C (forno câmara: têmpera).

É feito na câmara de resfriamento, a carga a ser temperada é transferida automaticamente da

câmara de aquecimento para a plataforma de mergulho, de acordo com o programa do CLP e

sistema supervisório.

Têmpera em óleo

A plataforma mergulha a carga no tanque de óleo, onde permanece durante o tempo determinado

na receita do programa que está sendo executado.

A agitação do óleo, para homogeneização da temperatura, é feita por dois agitadores que forçam a

passagem do óleo pela carga através dos defletores do tanque.

Durante a têmpera em óleo omotorbomba permanece ligada, recirculando o óleo pelo trocador de

calor, até que sua temperatura retorne ao setpoint ajustando no programa. No fim do ciclo a

plataforma sobe, após o término do tempo de drenagem do óleo, a carga deve ser retirada pelo

41

operador (MANUAL DE INSTRUÇÕES COMBUSTOL – Forno elétrico tipo Batch para tratamento

térmico – Modelo T-4E).

Figura 17 – Saída do tratamento de têmpera (BRASTÊMPERA).

Figura 18 – Forno câmara Nº 22 (BRASTÊMPERA).

Foram registrados nos gráficos com as curvas TEMPO x TEMPERATURA as amostras 1,2,3,4 e 5

a amostra identificada com a letra R só será ser tratada termicamente após a determinação de qual

é o tempo necessário para completa austeinitização

42

Figura 19 –Gráfico da amostra 1tempo de 5 minutos

Figura 20 – Gráfico daamostra 2 tempo de 10 minutos

43

Figura 21 – Gráfico da amostra 3 tempo de 15 minutos

Figura 22 – Gráfico da amostra 4 tempo de 20 minutos

44


45

4.3. Teste de Dureza Rockwell

A primeira parte antes de se executar o ensaio de dureza é se determinar qual o tipo de ensaio

que será executado. A tabela06mostra algumas aplicações para diversos parâmetros de execução

da dureza Rockwell.

SÍMBOLO DE ESCALA

PENETRADOR CARGA

(kg) APLICAÇÕES

A (normal)

cone de diamante

120° 60

Mesmo uso em geral da escala C, somente com restrição na profundidade de camadas endurecidas e espessura da peça.

B (normal)

esfera de aço Ø 1/16"

100 Para peças recozidas e metais não ferrosos (alumínio, cobre, etc.)

C (normal)

cone de diamante

120° 150

Para aços em geral e ferros fundidos com uso acima de 100 HRB (± 20 HRC)

A (normal)

cone de diamante

120° 60

Mesmo uso em geral da escala C, somente com restrição na profundidade de camadas endurecidas e espessura da peça.

HR superficial 15 N

cone de diamante

120° 15

Mesma aplicação para aços em geral, peças cementadas e temperadas com espessuras ecamadas mais baixas.

HR superficial 30 N

cone de diamante

120° 30

Mesma aplicação para aços em geral, peças cementadas e temperadas com espessuras ecamadas mais baixas.

HR 45 N cone de

diamante 120°

45 Mesma aplicação para aços em geral, peças cementadas e temperadas com espessuras e camadas mais baixas.

HR 15 T esfera de aço

Ø 1/16" 15

Para aplicações iguais as usadas com HRB, peças recozidas, com restrições quanto a espessuras menores.


Ø 1/16" 30



Ø 1/16" 45


Tabela 06 - Aplicações para diferentes métodos de dureza Rockwell.

46

4.3.1. Preparação da Superfície

Imperativo limpar a área de apoio do corpo a ser ensaiado, eliminando qualquer vestígio

de oxidação, pó, óleo, sujeira, incluindo também ranhuras oriundas de usinagem, através de

lixamento leve (lixa manual) e em seguida limpar com pano ou estopa.

Caso seja necessário utilizar lixadeira elétrica, nos casos onde a rugosidade e ranhuras sejam

profundas, por exemplo: ensaio a ser aplicado em diâmetros onde se requer um desbaste que

atenda a impressão de ensaio HB/30D2 seguir as instruções:

A região em que você vai aplicar o penetrador não pode ser:

• Região de produto (que é, em ferramentas, a região que dá forma à peça no processo

de moldagem, injeção, forjamento, extrusão ou outro).

• Regiões vitais ao funcionamento da peça (como, por exemplo, o degrau de diâmetro

em um eixo que será o encosto de rolamento; um recartilhado; um excêntrico, ou

outros)

Quando a peça é polida e a superfície tem que ser preservada inteiramente, Em muitos casos é

necessário rebaixar a superfície por lixamento, principalmente em diâmetros, devido às suspeitas

de descarbonetação, enriquecimento ou qualquer outra razão.

4.3.2. Realização do Ensaio

a) Utilizar penetrador cone de diamante 120º.

NOTA: Verificar/realizar checagem periódica do durômetro. Só utilizar instrumento dentro dos

critérios de aceitação.

b) Ajustar carga a ser aplicada na medição: HRA = 60kgfou HRC = 150 kgf

c) Posicionar a peça no suporte adequado à geometria da peça. Mesa plana para peças

paralelas e mesa com rebaixo em "V" para peças cilíndricas.

47

d) Elevar o fuso, girando o volante no sentido horário, até fixar a peça no protetor do

penetrador (Observar no visor se o ponteiro está indicando zero, isto ocorre automaticamente

ao aplicar a pré-carga quando se fixa a peça).

e) Aplicar a carga abaixando a alavanca, e retorná-la à posição inicial suavemente, fazer a

leitura no visor, observando a escala preta (externa) HRC para 150 kg e HRA para 60 kg.

f) Aliviar a carga, girando o volante no sentido anti-horário, retirar a peça.

g) Realizar a quantidade de medições, conforme definido na OS/Plano de Controle.

Figura 24 - Teste de dureza Rockwell C na amostra R

48

Figura 25 – Teste de dureza Rockwell C na amostra nº 1

Figura 26 – Teste de dureza Rockwell C na amostra nº 3

49

Figura 27 - Teste de dureza Rockwell C na amostra nº 4

4.4. Microscópica Óptica

As bolachas com 1” de espessura, foram seccionadas para que fossem retiradas amostras no

núcleo do material na posição longitudinal. Todas as cinco amostras foram analisadas, e também a

peça de teste identificada pela letra R.

As análises metalográficas foram realizadas no Laboratório da BRASTEMPERA, com um

Microscópio Óptico OPTON, com analisador de imagem. O objetivo desta análise é capturar a

imagem para posterior análise do índice de transformação martensítica.

Figura 28 – Cortadora metalográfica, marca TECLAGO

50

Figura 29 – Microscópio digital, marca OPTON

5. Resultados e discussões

5.1. Resultado gráfico do tratamentotérmico

5.1.1. Efeito da velocidade de resfriamento

As transformações vistas no diagrama Fe-C pressupõem velocidades de resfriamento bastante

baixas, de forma que todos os rearranjos atômicos possam se completar. Mudanças importantes

podem acontecer se o aço, sob temperatura acima de 727°C, for bruscamente resfriado. As

transformações podem não se efetivar totalmente e outras podem ocorrer, afetando sensivelmente

as propriedades mecânicas.

O gráfico da figura 30 é um exemplo aproximado para um aço eutetóide, considerado

inicialmente em temperatura na região da austenita (acima de 727°C, linha A) e posteriormente

resfriado.

51

Figura 30 – Velocidade de transformação da martensita.

Essas curvas são conhecidas como TTT (tempo, temperatura, transformação).

Exemplo: se rapidamente resfriado para T = 500°C e mantido nessa temperatura, a

transformação da austenita começa em t0 e termina em t1. Ou melhor, a curva vermelha marca o

início da transformação e a azul, o término.

Na parte superior (de 700 até aproximadamente 560°C) há formação de perlita, tanto mais

fina (e dura) quanto menor a temperatura.

Na parte inferior (de 560 até cerca de 200°C) há formação de bainita (ferrita mais

carboneto de ferro fino), de dureza maior que a perlita anterior e, de forma similar, mais dura em

temperaturas mais baixas.

Entretanto, na faixa de 200°C, há formação de uma nova estrutura, a martensita, em

forma de agulhas e bastante dura (superior às anteriores). A linha Horizontal Mi marca o início e a

Mf, o fim da transformação.

52

A formação da martensita é o princípio básico da têmpera dos aços, isto é, o tratamento

térmico para aumentar a dureza. Entretanto, nem todos os aços admitem têmpera. Em geral,

somente com teor de carbono acima de 0,3% e velocidade de resfriamento alta.

5.1.2. Têmpera e Revenido

Conforme visto em página anterior, a martensita é a estrutura básica formada no processo

de têmpera, que tem como resultado um expressivo aumento da dureza do aço.

Em razão das posições das linhas de início e de fim da transformação (Mi e Mf no diagrama), há

necessidade de um rápido resfriamento para que ela ocorra.

Figura 31 –Transformação da austenita e martensita

Na prática, isso é obtido através da imersão da peça em um meio adequado (água ou óleo,

por exemplo). Em alguns casos, jatos de ar são suficientes para a operação.A linha indicativa do

processo no diagrama TTT da figura 31 ao lado dá uma ideia das etapas. O resfriamento é a parte

esquerda da curva, isto é, da temperatura pouco acima de A até pouco abaixo de Mf.Considerando

a inércia térmica do metal e a rapidez do resfriamento, conclui-se que este último não se dá de

maneira uniforme. Quanto mais próximo do meio de resfriamento, maior a velocidade. Assim, há

53

duas curvas extremas, uma para a superfície e outra para a região central. A dureza da martensita

e as tensões resultantes das diferenças estruturais provocadas pelas diferentes velocidades de

resfriamento resultam em um material bastante duro, mas frágil e com reais possibilidades de

trincas ou deformações, a depender do nível dessas tensões.

Figura 32 – Dureza x charpy (Resistência ao Impacto)

Em peças de pequenas dimensões ou seções, esses efeitos podem ser algumas vezes

tolerados, mas são bastante prejudiciais ou inaceitáveis na maioria dos casos.

O revenido é um tratamento posterior à têmpera, que consiste em elevar a temperatura

até certo nível e manter por algum tempo, conforme restante da curva verde da figura 31.

O resultado é um alívio das tensões internas e redução da dureza, tanto maior quanto

maiores a temperatura e o tempo de revenido.

Pode-se dizer, portanto, que a operação de revenido ajusta a dureza desejada da peça. Se

a dureza diminui, a ductilidade aumenta e, por conseqüência, a resistência ao impacto. Na Figura

32, a variação aproximada desses parâmetros versus temperatura de revenido para aço com

0,45% C.

A temperatura de aquecimento para a têmpera deve estar um pouco acima de um

determinado nível A, indicado na figura 31.

Esse valor deve ser tal que a estrutura do aço, antes de iniciar o resfriamento, seja

formada basicamente pela austenita.

54

No caso de aços hipereutetóides, a presença de alguma cementita não traz maiores

conseqüências. Portanto, o nível A pode ser a temperatura crítica inferior A1. Aços hipoeutetóides

contêm ferrita logo acima de A1, o que produz um endurecimento incompleto. Para esses aços, o

nível A deve ser a temperatura crítica superior, linha A3 no diagrama Fe-C.

Figura 33 – (a) micrografia da martensita e (b) micrografia do revenido.

A figura 33 (a) dá o aspecto micrográfico típico da martensita obtida após o resfriamento.

Notar a estrutura agulheada. Em (b) temos o aspecto após o revenido. A estrutura é transformada

em finos grãos de cementita distribuídos em uma matriz de ferrita.

A transformação da austenita em martensita não é um processo de difusão. É um rearranjo

atômico e a martensita pode ser considerada uma solução sólida supersaturada de carbono em

ferro alfa. A estrutura é tetragonal de corpo centrado, diferente da cúbica de face centrada da

austenita.

A martensita não aparece no diagrama ferro-carbono porque é uma condição metaestável, que

pode permanecer indefinidamente sob temperatura ambiente, mas retorna às fases de equilíbrio

mediante recozimento. A martensita e outras fases ou estruturas do sistema ferro-carbono podem

coexistir.

Figura 34 – Transformação da martensita x Temperatura

55

As temperaturas de início e fim da transformação da martensita (Mi e Mf da figura 31)

variam de acordo com a composição do aço. A figura 34 mostra uma variação típica com o teor de

carbono. Elementos de liga também exercem considerável influência. Isso significa que, em alguns

aços, a temperatura de término da transformação Mf pode ficar abaixo da ambiente. E uma

têmpera convencional deixa algum resíduo de austenita, comumente denominada austenita retida.

O efeito da austenita retida é uma instabilidade dimensional, que pode ser inadmissível para certas

aplicações. Há alguns meios para a sua remoção. Um deles é uma segunda etapa de revenido,

entre 200 e 300ºC, que transforma o resíduo de austenita em bainita. Outro meio é o uso de

refrigeração mecânica ou criogênica (dióxido de carbono, nitrogênio líquido, etc) para efetuar o

tratamento subzero, isto é, a redução de temperatura até a transformação completa.

5.2. Resultado do teste de dureza

Resultado do ensaio de dureza Rockwellcom carga de 150Kg e penetrador de diamante,

medidos 3 pontos de dureza em cada amostra.

AMOSTRAS DUREZA SUPERFICIAL HRC

1 38 / 40 / 39

2 43 / 44 / 44

3 44 / 44 / 44

4 45 / 44 /45

5 47 /46 / 48

R 49 / 48 / 48

Tabela 7 – Resultados do ensaio de dureza Rockwell

Figura 35 – Equipamento de ensaio de dureza Rockell, marca PANTEC.

56

5.3. Microestrutura Foram analisadas as 5 amostras e o corpo de provas identificado pela letra R coma finalidade

de se determinar se ocorreu a austeinitização em todo o interior da peça com os tempos aplicados,

a seguir será apresentado todas as micrografias das amostras 1 a 5 e o corpo de provas R, onde

pode se notar nitidamente que até o tempo de 15 minutos, grande região do interior dos corpos de

prova não sofreram austenitização, somente a partir do tempo de 20 minutos que já ocorreu uma

austeinitização mais completa e homogênea, o resfriamento das amostras não foi o mais rápido

possível para que a transformação martensitica fosse completa, mas o objetivo do trabalho é

verificar se o tempo foi suficiente para a austeinitização.

Figura 36 - amostra nº1(200x) tempo 5 minutos

57

Figura 37 - amostra nº1 (400x) tempo 5 minutos

Figura 38 – amostra nº2 (200x) tempo 10 minutos

58



59



60



61


Figura 46 amostra nº R (400x) tempo 20 minutos

62

5.3.1 Comentários sobre as microestruturas obtidas

Foi verificado que as amostras números 1,2,3 com tempos de 5, 10 e 15 minutos

respectivamente não conseguiram uma completa homogeneização do núcleo do material, nota-se

claramente que não ocorreu mudanças de fases ( austenita) devido ao pouco tempo não ter sido o

suficiente para que a temperatura fizesse que ocorresse a transformação e fases( zonas claras

indicando que não ocorreu mudança de fases), sendo assim só observamos algumas fases nas

amostras 1,2 e 3 na superfície do material onde a temperatura mesmo com pouco tempo conseguir

alterá-las, nas amostras 4 e 5 nota-se que ocorrem fases em todo o interior do material, fases

como martensita não revenida, bainita.

Não foi necessário fazer uma amostra com 30 minutos( tempo padrão utilizado pelas

empresas para fins comparativos) pois com 20 e 25 minutos o tempo já foi suficiente para que toda

temperatura atingisse o interior do material fazendo com todo o interior dos corpos de prova

números 4 e 5 atingissem a fase austenítica e no resfriamento evidenciasse as fases esperadas

par esse tipo de aço e meio de resfriamento

63

6. Conclusão

Após todas as análises chegou-se a conclusão que a amostra queapresentou os melhores

resultados com o menor tempo para que ocorresse a austeinitização foi a amostra nº04 com o

tempo de 20 minutos por polegada de espessura pois apresentou uma dureza superficial de 45

HRC e uma microestrutura que foi totalmente austenitizada antes de sofrer têmpera , a partir

desses dados esse tempo de 20 minutos/polegada foi utilizado para se calcular o tempo que a

amostra nºR deveria ficar no forno. O tempo encontrado para peça de produção a partir dos

experimentos foi de50 minutos. Então a peça foi colocada ao forno com a mesma temperatura de

860ºc por um tempo de 50 minutos ( baseado no resultado experimental) e a peça nº R apresentou

um ótimo resultado de dureza superficial 48 HRC e metalografia comprovando-se assim que o

tempo de 20minutos/polegada de espessura pode ser aplicado a várias dimensões de peças

produzidas em aço 4140 e subsequente em aços da mesma família.

A empresa Brastêmperaassim como outras empresas do setor utilizam como padrão o

tempo de 30 minutos/pol de espessura com esses novos parâmetros que poderá reduzir para um

tempo de 20 minutos por espessura dando um aumento de produtividade de 33 % que é um valor

bastante significativo para uma empresa de tratamento térmico onde seu maior insumo é energia X

tempo de processo.

64

7. Sugestões para trabalhos futuros

Presente trabalho permite sugerir os seguintes trabalhos futuros:

• Realizar análise de tensões residuais.

• Realizar ensaio de charpy.

• Verificar se esse tempo mínimo determinado nessa dissertação pode ser aplicado em

processos contínuos.

65

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centro universitÁrio estadual da zona oeste … de carval… · os tratamentos térmicos visam...

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