mcm i - aula 05 - tratamentos térmicos (recozimento e normalização)

Tratamentos Trmicos: Recozimento e normalizao

Prof. Dr. Andr G. S. Galdino

1. Objetivos:

Aps esta aula, voc dever ser capaz de:a) Compreender os diagramas de

transformao tempo-temperatura;b) Compreender as mudanas de fases durante

resfriamento em vrias situaes fora doequilbrio;

c) Determinar as vrias microestruturaspossveis de obteno aps resfriamento emdiferentes velocidades.

2MCM I - Dr. Andr G. S. Galdino

2. Pr-requisitos necessrios paraa aula: Para melhor aproveitamento da aula, o aluno

precisar dos seguintes conceitos:a) Limite de solubilidade;b) Fases e equilbrio de fases;c) Microestrutura;d) Interpretao de diagramas de fases.


3. Introduo:

As ligas ferro-carbono, antes de seremutilizadas na forma de peas, so, na maioriados casos, principalmente quando aplicadasem construo mecnica, submetidas atratamentos trmicos ou a tratamentostermoqumicos.

No primeiro caso, visa-se modificar aspropriedades das ligas, sobretudo asmecnicas, ou aliviar as tenses e restabelecera estrutura cristalina normal.


No segundo caso, procura-se apenas oendurecimento superficial, pela alterao dacomposio qumica da camada superficial domaterial, at uma certa profundidade.

Os aos, dentre as ligas ferrosas, so osmateriais mais comumente submetidos aesses tratamentos.


4. Finalidade:

Alterar as microestruturas e, comoconsequncia, as propriedades mecnicas dasligas metlicas.


5. Objetivos: Remoo de tenses internas; Aumento ou diminuio da dureza; Aumento da resistncia mecnica; Melhora da ductilidade; Melhora da usinabilidade; Melhora da resistncia ao desgaste; Melhora da resistncia corroso;


Melhora da resistncia ao calor; Melhora das propriedades eltricas e

magnticas.


MATERIAL + TRATAMENTO TRMICO

O tratamento trmico estassociado diretamente com o tipode material.

Portanto, deve ser escolhidodesde o incio do projeto.


6. Fatores que Influenciam nosTratamentos Trmicos: Composio qumica; Temperatura; Tempo; Velocidade de resfriamento; Atmosfera*. * Para evitar a oxidao ou perda de algum

elemento qumico (ex.: descarbonetao dosaos).


Tempo: O tempo de tratamento trmicodepende muito das dimenses da pea e damicroestrutura desejada.

Quanto maior o tempo:a) maior a segurana da completa dissoluo

das fases para posterior transformao;b) maior ser o tamanho de gro. Tempos longos facilitam a oxidao.


Temperatura: Depende do tipo de material eda transformao de fase ou microestruturadesejada.


Velocidade de Resfriamento: Depende do tipode material e da transformao de fase oumicroestrutura desejada;

o mais importante porque ele queefetivamente determinar a microestrutura,alm da composio qumica do material (estrelacionado com o meio de resfriamentoutilizado).


7. Principais meios deresfriamento: Ambiente do forno (mais brando); Ar; Banho de sais ou metal fundido (o mais

comum o de Pb); leo; gua; Solues aquosas de NaOH, Na2CO3 ou NaCl

(mais severos).


8. Como escolher o meio deresfriamento? um compromisso entre:a) Obteno das caractersticas finais desejadas

(microestruturas e propriedades);b) Sem o aparecimento de fissuras e

empenamento na pea;c) Sem a gerao de grande concentrao de

tenses.


Os principais tratamentos trmicos so:a) Recozimento;b) Normalizao;c) Tmpera e revenimento;d) Martmpera;e) Austmpera.

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9. Principais tratamentostrmicos:

Tratamentos Trmicos

Recozimento

Normalizao

Tmpera e Revenimento

Martmpera

Recozimento pleno ousupercrtico;Recozimento subcrtico;Esferoidizao ourecozimento intercrtico.

Austmpera


10. Recozimento e Normalizao:

Em funo dos diagramas de transformaopara resfriamento contnuo, pode-serepresentar esquematicamente ostratamentos trmicos mencionados, como aFigura 1 indica.


Figura 1 Diagramas esquemticos representativos dostratamentos de recozimento e normalizao.


10.1. Recozimento:

Seus objetivos so os seguintes:

a) Reduzir dureza do ao;b) Aumentar a usinabilidade;c) Facilitar o trabalho a frio;d) Atingir microestrutura ou as propriedades

desejadas.


Existem, basicamente, trs tipos principais derecozimento:

a) Recozimento pleno ou supercrtico;b) Recozimento subcrtico;c) Esferoidizao ou recozimento intercrtico.



Figura 2 Faixa detemperaturaindicada paraaustenitizao norecozimento.

10.1.1. Recozimento pleno ousimplesmente recozimento: Consiste em austenitizar o ao, resfriando-o

lentamente a seguir.

A temperatura de recozimento pleno demais ou menos 50C acima da linha A3 para osaos hipoeutetides e de 50C acima de A1para aos hipereutetides.



Nos aos hipereutetides, no se deveultrapassar a Acm porque, no resfriamentoposterior, ao ser atravessada novamente estalinha, formar-se-ia cementita nos contornosde gro da austenita, o que fragilizariaposteriormente a pea tratada.

Quanto mais baixa for a temperatura deaustenitizao, tanto mais heterognea ser aaustenita para o mesmo tempo detratamento.

Quanto mais heterognea a austenita,maiores chances de nucleao de carbonetosem regies de teor de carbono mais alto ou decrescimento de carbonetos no dissolvidos, aoinvs das estruturas perlticas lamelares, queocorrem com mais facilidade a partir daaustenita homognea.



Figura 3 - Curvasde solubilizaoda perlita em aoeutetide.

Consequentemente, deve-se preferirtemperaturas de austenitizao mais altasquando se deseja estrutura perltica e maisbaixas quando se deseja estruturaesferoidizada.


Tabela 1 - Ciclos de recozimento recomendadospara aos carbono.

Aos carbono ABNT/AISI

Temperatura de austenitizao

(C)

Ciclo de resfriamento*

de/at (C)

Faixa de dureza (HB)

1020 855 900 855 / 700 111 1491030 845 885 845 / 650 126 1971040 790 870 790 / 650 137 2071050 790 870 790 / 650 156 2171060 790 845 790 / 650 156 2171070 790 845 790 / 650 167 2291080 790 845 790 / 650 167 2291090 790 - 830 790 / 650 167 229


*Resfriamento a 28C/h no interior do forno.

Para se obter estrutura perltica

Aos ABNT /

AISI

Temperatura de

austenitizao(C)

RecozimentoContnuo Isotrmico

De / at (C)

Taxa (C/h)

Temp. (C)

Tempo (h)

3140 830 735 / 650 10 660 6

3150 830 705 / 645 10 660 6

9840 830 645 / 640 8,5 650 6

9850 830 700 / 645 8,5 650 8


Tabela 2 - Ciclos de recozimento de aosligados.


Para se obter estrutura esferoidizada (ferrita + carbonetos esferoidizados)

Aos ABNT /

AISI

Temperatura de

austenitizao(C)

Recozimento

Contnuo Isotrmico

De / at (C)

Taxa (C/h)

Temp. (C)

Tempo (h)

3140 745 735 / 650 5 660 10

3150 750 705 / 645 5 660 10

9840 745 645 / 640 5 650 10

9850 745 700 / 645 5 650 12

Tabela 3 - Ciclos de recozimento de aosligados.

Quanto mais prxima da temperatura A1 aaustenita se transformar, mais grosseira ser aestrutura, quer perltica, quer esferoidal.

Entretanto, analisando-se as curvas TT,observa-se que o tempo necessrio paratransformao completa em altastemperaturas longo, por vezes,excessivamente.


Nos casos em que o tempo de transformaofor excessivo nesta temperatura, pode-setransformar parcialmente em altatemperatura, seguindo-se o restante datransformao em temperatura mais baixa.

H, portanto, duas possibilidades natransformao da austenita:


a) Transformao isotrmica;b) Resfriamento contnuo, normalmente no

interior do forno desligado ou em meiosisolantes que permitam obterem-se as taxasde resfriamento necessrias para otratamento.


10.1.2. Recozimento subcrtico:

aquele em que o aquecimento se d a umatemperatura abaixo de A1.

utilizado para recuperar ductilidade do aotrabalhado a frio (encruado).

Normalmente, o aquecimento do ao carbono realizado na faixa de 595 a 675C, seguidode resfriamento ao ar.


As principais transformaes que ocorremnesse tratamento so a recuperao e arecristalizao das fases encruadas.

Tratamentos de alvio de tenses so tambmaplicados quando se deseja reduzir tensesresiduais em estruturas ou componentes apssoldagem, fabricao, lixamento, dobramento,resfriamento brusco (tmpera), etc.


O aumento de temperatura nessestratamentos suficiente para reduzir o limitede escoamento do material ou permitir suadeformao por fluncia, de modo que astenses residuais so aliviadas por meio dedeformao plstica.


No caso de soldas, o alvio de tenses pode tertambm a funo de revenir microestruturasde dureza excessiva e baixa ductilidadeencontradas na Zona Afetada pelo Calor (ZAC),independentemente da existncia de tensesresiduais significantes.



Figura 4 Efeito da temperatura nas propriedades dos aoscarbono durante o tratamento trmico de alvio de tenses.


Figura 5 Efeito da temperatura nas propriedades dos aoscarbono durante o tratamento trmico de alvio de tenses(variao do limite de escoamento com a temperatura).

10.1.3. Esferoidizao:

Para um ao qualquer, ao ser aquecido acimade A1, comea a formao de austenita.

Dependendo da temperatura e do tempo, aaustenitizao pode ser total ou parcial (restarainda perlita ou carbonetos na estrutura).

Tambm a austenita formada pode terdistribuio homognea ou heterognea decarbono.


Ao ser resfriada abaixo de A1, a austenita darorigem a uma estrutura de ferrita ecarbonetos esferoidizados ou ferrita e perlita,dependendo das condies de resfriamento eda estrutura anterior ao resfriamento.

A austenita homognea tende a formar perlitaenquanto que a austenita heterognea tente aformar carbonetos esferoidizados.


H vrias maneiras de se obter uma estruturade carbonetos esferoidizados em matrizferrtica aps uma austenitizao total ouparcial: manuteno por tempo prolongado temperatura pouco abaixo de A1, resfriarlentamente ao passar por A1 ou fazer um cicloacima e abaixo de A1.



Figura 6 Faixa detemperaturarecomendada para aesferoidizao de aoscarbono.

10.1.4. Recozimento parausinabilidade: Para cada teor de carbono, deseja-se que haja

microestruturas ideais para reduzir o custo deusinagem de aos.


%C Microestrutura ideal

0,06 0,20 Estrutura de forjamento (ou laminao).

0,20 0,30Dimetro menor que 75 mm, normalizao.Dimetro maior que 75 mm, estrutura deforjamento (ou laminao).

0,30 0,40 Recozido com perlita grosseira (mnimo de ferrita).

0,40 0,60 Perlita grosseira ou estrutura esferoidizadagrosseira.

0,60 1,00 100% esferoidizada.


Tabela 5 Estruturas mais adequadas parausinagem.

11. Proteo da superfcie:

A proteo da superfcie feita para que oteor de carbono nela presente possa sercontrolada durante o tratamento trmico.

H casos ainda em que se desejam superfciesisentas de oxidao, sem necessidade delimpeza posterior.

Tambm, nesses casos, a proteo dasuperfcie importante.


Tanto as reaes envolvendo o carbono daspeas a tratar como a oxidao do materialdecorrem da presena de gases no interior doforno de tratamento.

O caminho bvio para se contornar oproblema seria a eliminao da causa(tratamento sob vcuo).


Esses tratamentos so extremamente caros, es se justificam em caso de materiais reativos,tais como o titnio, zircnio, etc., e no caso deferramental como matrizes e ferramentas detrabalho a frio j usinadas.


Na prtica, opta-se pelo controle dospotenciais de oxignio e carbono na atmosferado forno, pelo emprego de materiais deempacotamento, que evitam ou diminuem ocontato da atmosfera com a pea, ou pelosbanhos de sais fundidos com potenciais deoxignio e carbono controlados.


Como regra, os materiais de empacotamentosomente so empregados para peas de aosligados ou ferramenta (normalmente deproduo limitada).

Para produes maiores, opta-se por fornosde banho de sal fundido ou fornos deatmosfera controlada.



Figura 7 Faixas aproximadas de emprego de meios deempacotamento.

11. Normalizao:

Os objetivos da normalizao so idnticosaos do recozimento, com a diferena de quese procura obter uma granulao mais fina e,portanto, melhores propriedades mecnicas.

As condies de aquecimento do material soidnticas s que ocorrem no recozimento,porm o resfriamento mais rpido: ao arparado ou agitado.



Figura 8 Comparaoentre as faixasde temperaturasdeaustenitizaopara anormalizao e orecozimento.

A estrutura obtida a mesma da obtida porrecozimento, porm mais uniforme e fina.

A normalizao normalmente indicada parahomogeneizao da estrutura aps oforjamento e antes da tmpera e revenido.

Aos ligados que temperam ao ar no sonormalizados.


A normalizao pode ser usada, portanto,para qualquer das seguintes aplicaes:

a) Refino de gro (por meio de recristalizao) ehomogeneizao da estrutura visando aobter uma melhor resposta na tmpera ouno revestimento posterior.

b) Melhoria da usinabilidade.c) Refino de estruturas brutas de fuso (peas

fundidas, por exemplo).MCM I - Dr. Andr G. S. Galdino 55

d) Obter propriedades mecnicas desejadas.

Quando compara-se a estrutura normalizadacom a recozida, h algumas diferenas, asaber:


a) Aos hipoeutetides: possivelmente menorquantidade de ferrita proeutetide, e perlitamais fina (menor espaamento entre aslamelas. Em termos de propriedadesmecnicas, para baixos teores de carbono(C

b) Aos hipereutetides: menos carbonetos emrede ou massivos, e distribuio maisuniforme dos carbonetos existentes, devido dissoluo mais completa dos carbonetos naaustenitizao para a normalizao do quepara o recozimento, visto que nanormalizao a austenitizao ocorre acimade ACM. Como o resfriamento nanormalizao mais rpido, a precipitaode cementita proeutetide no contorno degro austentico minimizada.


Para aos ferramentas, o alto teor deelementos de liga de alguns tipos influiconsideravelmente na sua temperabilidade,que fica fortemente aumentada.

Com isso, as curvas TTT so muito deslocadaspara a direita, o que impossibilita que aclssica definio de normalizao sejacorreta.


Por exemplo, aos ferramentas para trabalho afrio das sries A e D, aos rpidos da sries Tou M, com um simples resfriamento ao ar jrepresenta velocidade suficiente para que seprocesse, parcial ou totalmente, a reao detransformao martenstica que caracteriza atmpera.


Tais aos jamais podero ser submetidos auma normalizao, tal como essetratamento definido genericamente(austenitizao seguida de resfriamento ao arlivre).

O alvio de tenses aps forjamento de taisaos ter de ser obtido atravs de outrosprocedimentos.


muito usual, por exemplo, especialmente nocaso de ferramentas de formato complexo, amanuteno das peas prontas em um fornoauxiliar mantido a cerca de 850C, que depois desligado e deixado resfriar-se at atemperatura ambiente, com os forjados emseu interior.


Referncias: Silva, A. L. V. C., Mei, P. R., Aos e ligas

especiais, 3 edio revista, So Paulo: EditoraBlucher, 2010, pp. 83 143.

Chiaverini, V., Tratamentos trmicos das ligasferrosas, 2 edio, So Paulo: ABM, 1987, pp.51 61.

Rauter, R. O., Aos-ferramentas: seleo,tratamentos trmicos, pesquisa de defeitos.Rio de Janeiro: Livros Tcnicos e Cientficos,1974, pp. 40 61.


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