UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

ENGENHARIA DE SÃO CARLOS

*

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RATAMENTOS TÉRMICOS DOS METAIS

Eng. Tomio Kitice Prof. da Cadeira de Metalurgia

Escola de EngEnharia Mackenzie - São Paulo

Eng. Rubens Lima Pereira Prof. Contratado da Cadeira de Metalurgia

Escola de Engenharia de São Carlos - São Carlos

Publicação n. o 34

SÃO CARLOS

ESCOLA DE ENGENHARIA

1960

PREFÁCIO

(Ensinando - aprendemos) (Seneca)

I

Este trabalho, sem grandes pretensões científicas, foi escrito para trazer aos que iniciam o estudo da Me­talurgia, uma contribuição no campo dos tratamentos térmicos dos metais e ligas, de tão grande importância na aplicação dos mesmos.

Os princípios básicos s~o_apxesentados_assim como uma parte de aplicação prática,

Esperamos que o trabalho seja de utilidade para os estudantes das nossas Escolas de .Engenharia e Escolas Técnicas, como .também pará aquêles que labutam nas ofi­cinas.

Tomio Kitice Rubens Lima Pereira

Agradecimento

Os autores agradecem ao Eng 0 Alberto

Albuquerque Arantes, do I, P. T. a col abç . ração prestada, permitindo a publicação das micrografias que ilustram êste tra­balho.

III

ÍNDICE

Prefácio

Agradecimento

Parte I

Tratamentos térmicos dos aços

v

pg o

I III

Definição 1

Influência da velocidade de esfriamento sôbre a transformação da austenita

Curvas T T T, curvas em S ou curvas

transformação isotérmica

de

Produtos da transformação da austenita

nas diferentes faixas de temperaturas

Perlita lamelar, Perlita fina, Bainita,

Martensita, Ferrita e Cementita Fatôres que influem na curva T T T

composição química tamanho do grão

impuresas

Tratamentos térmicos

recosimento

cuidados para efetuar

texturas obtidas no

propriedades mecânicas após o

normalização texturas obtidas na

propriedades mecânicas após a

têmpera

diâmetro das peças - influência na meio de endurecibilidade

método de Grossmann

método de Jominy

influência do tamanho de grão na

cuidados para efetuar

texturas obtidas na

1

4

7

8 10 13 14 17

19 19

25 25 26 26 26 27 30 31 33 36 39

39 42

VI

revenido

fragilidade de

textura de

coalescimento

textura obtida no

Tratamentos isotérmicos

recosimento

austêmpera

mar têmpera

Têmpera superficial Bibliografia

Parte II

Tratamentos termo-químicos dos aços

Introdução

Cementação pelo carbono

cementação em caixa

o per ação de

tratamento térmico das peças cementadas

aços para cementar

defeitos na cementação

cementação parcial

cementação à gás

cementação em líquido

Cianetação

Nitreta_ção

Outros tratamentos superficiais

Sherardização

Cromatização

Ca1orização

Si1iconização

Oxidação

Bibliografia

Parte III

Tratamento térmico dos ferros fundidos

Introdução

Diagrama ferro-carbono-silicio

Os tratamentos térmicos

alívio de tens6es

pg. 43 44 44 45 46 46 46 47 47 49 54

55 56 56 60 62 63 64 66

66 67 68 70 7 1

71 71 72

73

73 75•

76 76 78 78

causas das tensões internas

recosimento para influência da temperatura no

recosimento

têmpera e revenido estrutura

efeito da temperatura na têmpera execução do tratamento

propriedades têmperas isotérmicas

têmpera sup~rfici~l

maleabilização introdução

processos influência da composição química

ferro maleável de núcleo branco

composição recosimento

características

especificações ferro maleável de núcleo preto

composição recosimento

estrutura propriedades mecânicas

especificações

ferro maleável perlítico Bibliografia

Parte IV

Tratamentos de solubilização e precipitação

Introdução

Princípios de tratamento Propriedades das ligas tratadas Temperaturas e tempos de tratamentos

Bibliografia

***

VII

pg.

79 80 80 83 85 85 85 86 86 86 87

87 87 88 90

92 92 93 93 94 97 97 98 100 100 100 102

103 103 108 lll

116

_ Parte I

Tratamentos· térmicos dos aços

Definição

Por tratamento térmico compreendemos a operação de aquecer um material a uma dada temperatura e esfriá-lo após certo tempo, em determinadas condições, com a fi­nalidade de dar ao material propriedades especiais. Bs­ses tratamentos alteram ou a velocidade de esfriamento e a temperatura de aquecimento ou a temperatura a que são esfriados os materiais.

Influência da velocidade de esfriamento sôbre a trans­formação da austenita

O diagrama de equilíbrio ferro-carbono Fig. 1 cor­responde ao e qui 1 íbrio me taes tá v e 1, alcança do com o resfriamento lento.

Se a velocidade de esfriamento ou de aquecimento fôr mo di fi cada, a-s- linhas de transformação serão deslo­cadas. Assim por exemplo, a temperatura de reação eute­tóide (austenita ...... perlita)no aquecimento será tanto mais elevada quanto maior fôr a velocidade de aqueci~ menta e inversamente, quanto maior fôr a velocidade de esfriamento mais baixa será essa temperatura de trans­formação, fig, 2o

Estas variações de temperatura correspondem a his­teresis, cdmum a vários fenômenos físicos.

A ~elocidade de re~friamento p~de ser aumentada até um limite V1 (fig.3"), quando aparece um novo constitu­inte junto à perlita,,que é a martensita e que se forma a temperaturas"mais b~ixas. Com o aumento da velocidade de resfriamento, a parte de austenita ainda não trans­formada em perlita, é e~friada até uma temperatura, na

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~ 160

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7e 7Z3

VELOCIOAOE

INFLVÊNCIA DA VE.LOCIOADc .DE AQUECIMENTO OU ESFRJAMf::NTO IYA r~WPERATiiRA DE TR4NS;:::oR.­MAC.iO evrerc~.o.e::

Fi~. 2

o

Figo 3

I I

INA/(lEMfTA I AM/<T~I'ISITA I

qual nio ~ possível mais haver essa transformaçio. Con­tinuando o resfriamen~o ·~ atingida a te~peratura onde se d' a formaçio da maitensita.

Se a velocidade de resfriamento fôr ainda aumenta~ da, ser' atingida uma velocida~e Vc, acima da qual t8da a austenita se transforma em martensita nio aparecendo

4 mais perlitao Esta é a denominada velocidade crítica de es f ri amen to dês te aço,

A perlita se forma por nucleação, os núcleos forma­dos crescendo posteriormente, Se a veloriidade de esfri­amento fôr muito elevada, não há tempo para o apareêi~ mento dos núcleos, até ser atingida a temperatura míni­ma para a sua formação,e tôda a austenita vai se trans~ formar à temperaturas mais baixas em martensita,

Estas reações ou transformações ocorrem normalmente enquanto há uma variação contínua da temperatura com o tempo.

Davenport e Bain, em 1930, foram os primeiros a es­tudar os fenômenos que ocorrem quando um aço aquecido é esfriado ràpidamente até determinada temperatura que é mantida fixa durante certo tempo, e dêsses estudos re~

sultaram as denominadas curvas de transformação isotér­mica.

Baseados nesses estudos é que foi conseguido de ma­ne1ra satisfat6ria explicar os tratamentos térmicos dos aços,

Curvas T T T, cu.rvas em S, ou curvas de transformação isotérmica

O método seguido para a obtenção dessas curvas é o seguinte:·uma série de corpos de prova do aço a seres­tudado, de pequenas dimensões, é aquecida a temperatu­ras acima da zona crítica, (l) Estes corpos tornam~se

então completamente austeniticos~ a seguir cada um dê­les ~ por sua vez,. transferido ràpidamente para um lí­quido '{banho de sal ou chumbo fundido mantido a uma temperatura T1 esc0lhida para observação,(2)e• aí perma­necem respectivamente durante tempos determinados t 1 ,

t 2 , etc; ap6s essa permanência são esfriados ràpidamen­mente em água fria ou salmoura,

1. Zona crítica de um aço, ·é a faixa de temperaturas .compreendida entre- a temperatura eutetóide e as linhas de início de forma­ção da ferrita ou cementita, •no resfriamento de um aço,depen­dendo do teor de carbono disse aço. ·

2. O esfriamento, .da temperatura de austenitezação até a tempera­tura Ti é pràticamente instantO:nea, •devido aos di.mensões .dos corpos.de prova.·

5 As estruturas obtidas são observadas ao microscó­

pio, A aus·teni ta não transformada a essa temperatura Tl:' e durante êsses tempos é reconhecida, pois se apresenta sob a forma de martensita, ·à temperatura ambiente,· após o esfriamento bruscoo

Esses estudos podem ser feitos também por meios di­latométricos, - variação das dimensões do corpo de pro­va de acBEdo com as porcentagens dos constituintes pre­sentes, .de medidas de dureza,, ou magnéticos,. mas o mais empregado é o exame ao microscópio.

O mesmo tratamento é feito com outras amostras do aço para outras tempera tu r as T2 , T3 , e te,

A c~da temperatura verifica-se que existe um tempo ti, em que tem início a transformação da austenita e outro tf em que há transformação total, (fig. 4) (1),

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~ 73

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TEMPO IJE TRANSFORM,qç.4o :!JA AtiST~NITt4 EM Ff/NÇÁO DA TEMP.

Fig, 4

·h· :0,5% JA l/STéNtTA TMNSFOJZ -MAOA GM PE/21-tTA OU Ir ::99,5% oc;:rRO coNSrtr~nrtrE

Para facilidade de observação é considerado como ponto de inicio de transformação aquêle ém que é obser­vado 0,5% de austenita transformada e como fim de transformação quando esta atinge a 99,5%,

Para cada aço, o lugar dos pontos de mesma porcen­tagem de transformação (interessando mais o inicio e o

1. Eases sao os. pontos mais. interessantes. para estudo.

6 fim) traçado em um gráfico temperatura-tempo de trans­formação,, forma o diagrama denominado curva em S, ·dia­grama T T T (tempo, temperatura,· transformação) ou ain­da, diagrama I. T (Isothermal Transformation). (fig. 5).

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-32.

Mn-076 J

Fig. 5

o

Abaixo da temperatura indicada pela linha M5

começa a aparecer a martensita. Esta transformação é pràtica­mente instantânea, mas a cada temperatura a transforma~

ção se processa para uma determinada proporção de aus­tenita. Para ser aumentada a quantidade de austenita transformada em martensita a tempe~atura deve ser abai~ xada. No gráfico aparecem então linhas horizontais mar­cando as porcentagens de transformação a cada tempera­tura - M50 - M90 da fig: 5, ·indicando 50 e 90% de transformação respectivamente.

7

Produtos da transformacão da austenita nas diferentes faixas de temperaturas

Os aços ass1m tratados apresentam ao microscop1o, após esfriamento, diferentes estruturas,· conforme a temperatura .em que se permite que ocorra a transforma -ção total da austenitao

São citados em primeiro lugar as estruturas obser·, vadas em um aço e~tetóide;

Perlita lamelar - logo abaixo da temperatura do eu­tetóide (723°C), onde a transformação ~muito lenta, forma-Be a perlita lamelar grosseira de dureza entre 5

e 20 Rockll C, (plancha I) PerTità Ilna - à medida que a temperatura de trans­

formação ~ baixada, a perlita formada apresenta lamelas cada vez mais finas, sendo tamb~m cada vez maior sua durezao A resistência mecânica, como ~ natural, tamb~m

varia como pode ser visto na figo 6,

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100

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PO;eCENTAGii"M .DE CARBONO

Fig. ô

8 O tempo de início de transformação diminui para

depois tornar a aumentar, e a curva forma um cotovêlo. A perlita formada nessa zona, a aproximadamente .550°C,

tem dureza entre 30 a .40 Rockwell C, e é chamada de troosto-perlita. As lamelas só são discerníveis ao mi-croscópio com grandes aumentos . .:

Bainita- .em temperaturas abaixo do cotovêlo da cur­va e acima da linha Ms (faixa entre .450°. e 250°C apro.­ximadamente) os produtos da transformação tendem para a forma acicular, tornando-se mais acentuada quanto mais baixa fôr a temperatura e o constituinte recebe. o nome de bainita. Sua dureza varia entre .40 a 65 Rockwell C. A bainÍta apesar de sua dureza, relativamente alta, .não é quebradiça, sendo portanto ótimas para a-lguns fins as suas características,

Martensita - forma-se como foi visto,. abaixo da li­nha Ms· Quanto mais baixa a temperatura, maior a quan­tidade de martensita formada. (plancha II)

Ferrita e·cementita- os aços hipoeutetóides e hi­pereutetóides apresentam outras transformaç5~s além das j' indicadas que são rep~esentadas nos diagramas ou curvas em S p-or linhas q·ue marcam o início da separação .da ie.r.ri ta __ o.u cemen ti ta, respectivamente,· quando o aço é mantido em temperatur<l:s dentro da zona crítica. (fig. '7 e 8). ·

Fatores que-influem na curva T T 1:, a) Composicão quÍmica ~ As figuras 9 e 10 mostr.am

que sendo aumenta4:l- o teor de carbono, de· um modo geral a curva T T T. se desloca para a direi ta.·

·:·com exclusão do cobalto, ·todos os elementos de liga agem de modo idêntico ao carbono, isto é, retardam o início da. transformação da anstenita •

. Este f a to pode ser explicado considerando que os e­lementos de liga são soláveis no ferro a alta tempera­tura (ferro garr{a) e que com· o.~abaiiar ~da_ temperatura o seu comportamento varia .. Enquanto alguns. elementos são soláveis na ferrita, outros tendem a formar carbonetos como mostra a tabela 1, elaborada por Bain.

Segundo êste autor, estas reaç5es, solubilização ou formação de carbonetos, são os respons,veis pelo deslo­camento da curva em S para a direita.

Comparando as figs. 11 e 12 com a fig. 9, pode ser vista a influência da variação dó Manganês e do Crom6 no deslocamento da éurva em s para a direita.

Perlita - aço eutetóide - ataque - reativo de ácido nítrico. 1000 X

Ma<ten•ita - aço temperado de 750" C. no eMamento -ataque - reativo de ácido níttico - 1000 X

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TEMPO E'M .S~GVNDO.S

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Fig. 7

9

Os elementos de liga não só retardam a transforma­çie- como podem modifica~ o formato da curva como ~ o~ servado comparando as figs. 13 e. 14" Pode ser obser•vado nestas curvas que as temperaturas d~ inicio e fim de formação de martensita tamb~m variam.

:Existem certos tipos de aço em que o inicio da for" maç~o da martensita est' abaixo da femperatura ambien­te. São assim obtidas as estruturas qUsteniticas em 'a1-guns aços, como por exemplo o aço 18-8 (18~ Cr e 8% Ni) inoxidável.

Alguns aços apresentam a linha de fim de transfor­mação da martensita próxima à temperatura ambiente e neste caso podem apresentar a essa temperatura certa proporção de austeni ta, que ~ d~nominada "austeni ta re-

10

TABELA I

li !Dissolvido Formando Nas inclusões O:>mpostos i:g No estado 1 na Carbone- não metálicas termetálicos elementar

i L i Ferrita tos

:I Ni Ni-Si Comp. ('!) s1.m

Si " Si02 .M:xOy.

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>. 0_,.8% ±.

Pb I I Pb {?)

sidual" ou "austenita retida". A austenita nesta condição poderá, por um aqueci­

mento durante o serviço, se transformar em martensita e tornar o aço quebradiço. Êsse inconveniente, é elimina­do com um duplo aquecimento do aço à temperatura abaixo da zona crítica (veja revenido).

b) Tamanho do grão - A transformação austenita-per­lita,' é um fenômeno que ocorre po~ nucleação e cresci­mento como .já foi citado, e em geral se inicia em pon~ tos dos contornos dos grãos e se propaga para o interi­oro. É evidente que quanto maiores forem os grãos, mais demorada é a transformação total e menor o ~6mero de

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Fig. 8

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51~ ~~ 60 ~ ~2

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nácleos inici~is, o início de transformação sendo tam­bém atrazado. ,Em outra~ palavras, a curv~ em S estar' mais deslocada para a direita, como pode éer visto na fig. 15 (1).

O contr8le do tamanho dos grãos aços que devem ser-

1, As áre~s dos grãos sendo maiores, e a transformação iniciando­se nos seus. contornos,, a transformação total de grão de auste­nita em perlita ·zevará mais tempo para se processar.· Quanto maiores os grãos também menor a energia livre existente no material, 'e também nos seus contornos. ·Como as reações se iniciam nos.pontos de maior concentração de energia livre, ,os aços de granulação grosseira apresentam menor velocidade de nucleação, ,isto é, <OS núcleos iniciais de perlita se formam em menor número.·

12 tratados t~rmicam~nte apresenta entio grande importin­cia prática.

Lembramos aqui que o material com granulaçio gros­seira apresenta propriedades inferiores a do mesmo ma­terial com granulação fina,portanto nio há interêsse em trabalhar com aços de granulação grosseira para facili­tar o tratamento t~rmico de tempera, ·que será descrito mais adiante~

O tamanho do grão do aÇo ~ em geral dado pela classifi cação da ASTM (American Society for Testing Materiais) fig. 16, ou determinada pela f6rmula:

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TEMPO EM SEGUNDOS

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Fig •. 9

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47~ 52~ S?~

58

66

onde x nómero de grios por polegada quadrada observa­do com um aumento de 100x; N·= número da :classifica­ç io do aço.·

O tamànho de grio pode também ser determinado por comparação entre a fratura do aço em exame e fraturas de corpos de prova padrio, como os .tipo Shepherd.

c) Lmpurezas - As impurezas que em g~ral se locali­zam nos contornos dos grios, ·assim como heterogen_eida­des da austenita, •nesses locais, que pod.em ocorrer,. de"". vido a uma baixa temperatura de aquecimento ou tempo­insuficiente de perma~ência a temperatura correta cau­sam distorções no reticulado,. criando tensões que faci~ litam a nÚcleaçio da pérlita, deslocando a curva .em S para a esquerda.-

14

100

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rEA-1PO E'M .SEiQVNDOS

Mn- 0;82 Si -2JOf Cr- O, 07 .Fig. 11

Tratamentos térmicos

Na prática corrente os resfriamentos das peças não são instantâneos, existindo sempre uma certa velocidade de esfriamento que pode ser representada por uma curva contínua e as curvas em S estudadas não correspondem exatamente aos prpcessos usuais de tratamento t~rmico: entretanto são importantes para a compreensão das transformações.

A estrutura formada em uma transformação isot~rmi­ca, isto ~' quando ~ mantida a uma certa temperatura durante certo tempo, ~ uniforme, e no ~esfriamento con­tínuo a estrutura final ~ uma mistura das estruturas

ao 11\1 '! I I'!""\ I 111111 I I I' 111 I 11\ 11 I 111

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TEMPO EM .SEGVNOOS

c- Q62 Mn-Q95 c.,- Q 15

.Figo 12

obtidas a cada nível de temperatura (1)"

15

RIJ '->· 34 ....... 38 ~ 37 ~ $! ~ 35 ~ 41 ~ .;o~ 55

A fig, 17 esquematiza uma curva em S .estando sobre-· postas a ela curvas rep:resen tando ·di versas velocidades de esfriamento (2),

Observa-se neste caso que se o resfriamento fôr muito lento, tôda transformação ocorre acima do cotovê-1~ da curva e portanto o constituinte resultante ser'

I. Com. exceção do tratamento que dá a estrutura m.artensítica. ·

2. -Esta curva T T T diferencia-se um. pouco da curva que pode ser traçada para resfriamento cont·ínuo e de forma sem.e lhante a de transformação isotérmica. ·A curva para resfriamento contínuo em. geral se apresenta deslocada um. pouco para a direita e a te.inperaturas m.a'is baixas.·

16

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TEMPO EM .SEGUNDOS

Mn -0,46

.Fig._13

as~ 33~

37~ .fz~

N 47~ 50~

perlita grosseira e o corpo de prova que sofreu êste tratamento se apresentará com dureza baixa.

O esfriamento menos lento apresenta início e fim de transforiliação mais pr6ximo do cotovêlo da eurva, por­tanto o produto resultante será uma perlita fina e o m~ terial apresentará dureza um pouco mais elevada que no caso anterior e maior resistência mecânica"

O esfriameit~ mais rápido, em 6leo por exemplo, a­pr,esenta um início de transformação em perlita fina,· próximo do cotovêlo da curva e não completa a transfor­mação a não s~r na zona de formação de martensita.

O esfriamento extremamente rápido, • em água, não dá tempo à austenita para se transformar a não ser na fai­xa de temperatura de formação da martensita.

17

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Figo, 1,4

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Para que seja obtida uma estrutura martensítica o aço~deve ser esfriado de maneira que a curva represen­tati'!"a de: seu··resfriamento passe à esquerda da curva em s (fig, 18)'

A linha que passa tangenciando a .curva em S,. à es­querda,dá a velocidade crítica de resfriamento fig, 18,

Recozimento - é o tratamento térmico que consiste em se aquecer o aço, se fôr eutetóide ou hipÓeutetóide até 50°C acima da zona crítica .e se fôr hipereutetóide até 50°C acima do limite inferior dessa z.ona (fig, 19) e esfriá-lo, após uma certa p~rmanência a essa tempera­tura,· lentamenteo .Esse esfriamento é em geral feito mantendo a peça no interior do forno desligado ou tam­bém controlando-se a velocidade de esfriamento do forno

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.Figo, 15 Na prática o material pode ser esfriado um pouco mais ràpidamente, envolvendo-o com areia, cinza ou cal,

,Este tratamento permite restituir as propriedades de um material submetido anteriormente a um tratamento mecânico ou térmico, regularizar texturas brutas de fu­são, e remover tensões.

Quando o tratamento é f~ito s6 com a finalidade de remover tensões, o a4uecimento pode ser feito a tempe­raturas mais baixas,, quando já ocorre uma recristaliza~ ção parciaL Essa temperatura é da ordem de 500'0

-

550°C. O t~mp.q 'de permanência a temperatura de recozimento

é para os aços comuns da ordem de 20 minutos para cada centímetro de espessura da peça.

19

Existem gráficos que dão o tempo aproximado de a­quecimento de peças em função da espessura, quando são colocados no forno, a diferentes temperaturas, Dois dêsses gráficos são dados nas figs. 20 e 2F,,

Cuidados para efetuar o recozimento

A temperatura e o tempo de aquecimento devem ser bem controlados para que a austen-i:tização seja completa nos aços hipoeutetóides e eutetóides, sem causar um crescimento excessivo dos grãos.

No caso dos aços hipereutetóides a temperatura não deve ultrapassar também a indicada, -- .50°C acima do li­mite inferior da zona crítica ~ para evitar no resfria­mento lento, quando o aço é completamente austeni tiza­do, a formação de uma rê~~ contínua de cementita nos contornos dos grãos,. dand~ maior fragilidade ao aço,

O aquecimento deve ser feito homogêneamente em tôda a peça para evitar distorç6~s, - aquecer a peça lenta­mente até 650~700°C,.para os aços ca~bdno e até 850°C para os aços rápidos, e a seguir'--el·éV~r a temperatura ràpidamente até a indicada para reduzir o perigo de de§ carbonetação, oxidação, ou crescimento do grão, e sem~

pre que possível em.um meio neutro ou redutor para evi­tar a oxidação e descarbonetação superficial.· Plancha IIL

No tratamento de peças longas ou de formas compli­cadas, estas devem ficar bem e homogeneamente apoiadas, para evitai distorç6es .. Esses aquecimentos podem ser feitos também em banhos de sais fundidos, podendo ~er

controlados mais fàcilmente os fenômenos de descarbone­tação e oxidação.

O tempo de aquecimento neste caso é diferente, o gráfico da fig. 22, dando indicaç6es a respeito.

Textura dos aços recozidos

Os aços recozidos apresentam em sua textura, con­forme o seu teor de carbono, os constituintes já conhe·· ciclos; ferrita e perlita, perlita, ·ou perlita e cemen­tita, planchas IV, I e V,. respectivamente.

GRÃO N~i.

Fig. 16

Fenita e perlita - aço super aquecido, normalizado - Beirada descarbonetada -ataque - reativo de ácido nítrico. 200 X.

Ferrita e perlita - aço hipoeutetóide - ataque - reativo de ácido nítrico - 200 X.

Perlita e cementita - aço hipereutetóide - ataque - reativo de picrato de sódio. 200 X.

GRAO N~S GI<AO N'! 6

GRÃO N9. 7 GRAO N!:B Figo 16

22.

TGMPO -ESCALA LOQA!?lTMICA

.Fig. 1'7

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CURVA .DE ESFRIAMENTO PARA OBTE~ ESTRUTURA MARrENsfflc4

Fig. 18

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7"~MPO NECESS'AR/0 PARA A0UEC/MEN7"0 DO CENTRO .DE BARRAS À TEMP.E:R'ATUR.,q DO I="ORNO

Figs. 19 e 20

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..J:)€ .S4L. Fig. 22

25

Propriedades mecânicas dos aços recozidos

As propriedades mecânicas médias dos aços carbono reco~idos estão repre1>entados no gráfico da fig, 23.

·Normalização - êste proê.:esso consiste em aquecer o aço até uma temperatura àcima.:Lda;:;zónãccríticá (30°C a­cima da temperatura de recozimento para os aços hipoeu­tétóides e eutetóides e .5Q°C acima da zona crítica para os aços hmpereutetóides fig. i9 e esfriá-lo ao ar, ou

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?ORCENTAúEM J)f! CARBONO

,E"FE.-ITO .DO TEOR .DE C"i.RBONO N4 PROPRIEDADE .DOS AÇOS RliC.OZI.PO$

.Fig· 23

26 mais ràpidamen te que no recozimento.·.

A finalidade da normalização é uniformizar a mi­croestrutura e refinar a granulação.'.É um tratamento ~a­plicado a peças fundidas .e forjadas .• Em peças que serão temperadas pode-se aplicar também .êste tratamento, para com a redução da granulação, reduzir o perigo de empe­namento.

Peças de grande volume costumam ser normalizadas ao em vez de serem recozidas.

Textura dos aços normalizados

Os aços normalizados apresentam em sua textura a troosto-perlita, ou perlita fina e a ferrita ou cemen­tita conforme·o teor de carbono.

É observado mic~ogràficamente que os aços normali­zados apresentam menor proporção de fe~rita ou cementi­ta, do que o mesmo material n.o .estado recozido. Em al­guns casos.êsses constituintes podem mesmo não apareceL

A troosto-perlita é pois um constituinte que nor­malmente não contém como a perlita 0,83%.de carbono.

Se o aço fôr hipoeutetóide contém menor teor de carbono; se fôr hipereutetóide contém maior teor.

Propriedad~s mec8nicas de aços normalizados

O gr,fico da fig. 24,:apresenta •s propriedades mé­dias de aços normalizados, de temperaturas vari,veis entre i000° e '750°C; os resultados referem-se à barras de 32mm de diâmetro.

Têmpera - consiste no aquecimento do aço a tempera­tura idêntica ao d~?: recozimento seguido de: um resfria­m,en to r'pido em 'gua, óle~, ar, etc.· dependendo do ma-terial, tamanho da peça e propriedades desejadas. ,

.Este tratamento tem por fim aumentar grandemente a dureza dos aços e seus limites de resistência e escoa­mento, mas diminui muito a resiliência, o alongamento e a ductilidade. ·Para que o aço apresente as propriedades como descrito acima a sua estrutu~a deve ser marten~í­ticâ. ·

O fator que influi na têmpera é a velocidade de es­friamento, cuja curva representativa como Ja foi expli­cado deve passar à esquerda da curva em S" ·

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Pt:JRC&IYTA<iEM .De CA/<.!?ONO

?ROPR!EOADES ME01NIC4S .:PE AÇOS NORM/IL.IZ/IPOS

.Fig. ~4 J' foram estudados os fat8res que influem nesta .curva. Serão examinados agora aquêles que influem na velocidade de esfriamento: êsses fatôres são:

á) diâmetro das peças

As peças perdem calor pela superfície, havendo um gradiente de temperaturas do .centro para a periferia. A,\ secção da peça, assim como sua forma, ter' influência então na velocidade de esfriamento e na têmpera.

As figs. 25 e 26 nos dão as velocidades de esfria -menta a 700°C, de ·barras de aço de diferentes di-âmetros,

28

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J:JISTÂNCIA M PGI?JFER/4

VELOCIDADE .DE E.SJ!="Ié'/AMEN7"0 EM AtsC/A IYA rEMPE.f.PA­TVR.q .D€ 700°C

1 Qt.14NDO ESF.R.!ADOS .D.e:- BS0°C

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J)JSrÂNCIA DA PERIFERJA VE.t;.OC:/0-"!.D.f!;;- 0.1!::" E.SFRM!iMt:-NIO .t::M dLJ:O N,s::; 7"E'MP&f"RATVR;if

.DE. '?OC<:>C; GV4NOO ESFRIADOS DE 8!i'0°C .Fig, 26

quando temperados de 850°·L · Peças finas de um determinado aço podem portanto

ser temperadas, completamente .em um dado meio (fig. 2'7)

As peças m~dias tamb~m podem ser completamente tem­peradas, mas pode acontecer de ter ~ superfície tempe-

7~PO

.$0Sii!~PO.stCAÔ .DE c.IMA CURVA .!>E E,::;F'RI.AME:NrO CONr!tvuo A' VMA CVt<VA EM 'S".;p.E t./"'fA PEÇA.

F- CVRVA .DE E..SPRI'AMENTO SVPE,f!FICIAL. 2· CCIIZVA .DE ,I!$PR/4MEIVTO NO C'Gf'I7RO

29

TEMpO

.SOBRGPO.S/,<;-'l-0 Pé </MA CVRV.4 .Dé E.SPRIAMe!VTO CONT/NVO À (/.M"J CVRVA EM ::;-- J>E VM-'1 PEÇA 1'- CV.<ZVA &>S t!!'SF'R/AHENTO SUPEIZI='/C/Al. 2.- CURVA ..D& GSIORIANENro N<:> Ct!:N7J'?0

.Fig. 28

rada completamente e o centro não (fig. 28), As peças grossas podem temperar na superfície fi­

cando com a parte central mole, ou então não temperar absolutamente. {fig, ·. 29)

30

2

TEMPO SOBR~POSiçÁO DE UMA CURVA .DE ESFRIAMENTO CONr/Íyuo DE DE UMA PE(;A À l/MA Cc/R VA EM '$'~ 1- CVRVA :!>li ESFRIAMEI'/TO SVP.ERP/CJAL 2- CURVA .DE ESFRIAMENTO DO CENTRO

2

1

7EMPC>

1 e2 • CVRV"'S DE ESFRII<IMENrC> EM Ó~EO NA SVPERRCIE E "fO CENrRO t'e2'- /OiiM .t::M AêrVA

.Fig, 30

b) meto de têmpera

A vel_ocidade de esjriamen to es.:tá também estreita­mente ligada ao segundo fator que é o meio de -têmpera.

Uma determinada peça, pode não tomar têmpera se es­friada .em 6leo e ficar temperad~ se f6r esfriada em água. (fig.·so).

31 Os diversos meios de têmpera podem então ser clas­

sificados pela sua ~severidade de têmpera", que 6 pro­porcional à capacidade do banho .em extrair calor da pe­ça.

A tabela 2 nos dá o valor da severidade de têmpera "H'' para alguns meios,, aplicável em barras de diâmetro entre 2,5 e 7,.5 em, segundo Grossmann,

A temperatura do meio de têmpera tamb6m tem influ-.ência, pois .em geral quanto mais elevada fôr sua tempe­ratura, menos ràpidamente extrai calor da peça" No caso de emprêgo de óleos muito viscosos, um pequeno aqueci­mento pode levar a um efeito contrárioi

As curvas da fig. 31, nos dão as velocidades de es­friamento nos centros de barras de aço de 25mm de diâ~ metro,, quando esfriados em água a diferentes temperatu­ras.

Ao temperar uma peça, deve ser escolhido o meio de têmpera menos en6rgico, mas suficiente para dar ao aço a.estrutura martensítica"

Endurecibilidade - A dureza máxima obtida pela têm­pera 6 influenciada sbmente pelo teor de carbono como pode ser visto na fig. 32,

Como já foi .explicado, os elementos de liga tornam o aço mais fàcilmente temperável, ·atrasando o início da

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Fig,. Si

32

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Ar Oleo Agua Salmoura Ideal

Tabela II

Severidade de têmpera ''H."

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2,00 2,00-2,2J 00

Agitação moderada

o, 35--04.0 1,2J-1,30

Agitação forte

0,50--0,80 1,60-2,00

Agitação violenta

0,80-1,10 _4,0

5,0

transformação aus teni ta-per li ta (a f as tamen to da curva em S para a di~eita) assim como torna ~a1s lenta a sua velocidade de transformação, (1) no entanto não influem na dureza máxima.

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.Figo. 32

1. Outros fatores que influem são o tamanho de grão e as impure­zas, ceamo também já foi explicado.·

33. O teor do carbono tem também inf~uência no desloca­

mento da .curva; Quanto mais alto o seu teor,. mais·Jácil é temperar

o aço.· Isto também é verdade para os aços hip e r eu t.é tói­des,· dcisde que a temperatura atingida no aq~ecimento seja supe~io~ à cur~a Acm•' do diagrama de equilíbrio,· isto é,' os carbonetos sejam completamente dissolvidos na austenita.

Uma peça feita.com um determinado aço .e que não to­ma têmpera, •mesmo quando .esfriada em um meio de alta severidade de t€mpera,.pode ser refeita com outro aço,· e- temperar fàcilmente, ·ao ar,· por exemplo .

. Estes aços têm então mais alta temperabilidade ou .endurecibilidade por têmpera, , têrmo que pode ser defi­nido como a suscetibilidade de um aço a desenvolver uma estrutura martensítica. A temperabilidade é medida pela profundidade· de têmpera.

A fig.·.aa mostra a variação da dureza ao longo do diâmetro de diferentes barras de alguns tipos de aços, qv.ando temperado-s_ em água e 6leo-. ·,

.Em uma peça que tempera parcialmente,. o núcleo não endurecend~, ·a modifi~ação de dureza é rápida na zona próxima onde é observada a presença de ·-50% de martensi­ta (fig, · ~4), '.Este teor marca a passagem da zona tempe­rada para a não temperada,-por definição.

Dois são os métodos mais utilizados para medir a.eo durecibilidade de um aço.

1) Mitodo de Grosmann. Uma série- de ·barras cilin -dricas de dl. ferentes diâmetro's,. consti tuída:s do "aço que está sendo estudado,· é temperada em determinàdas condi~ i;;ões, •.e depois de cortadas,· são medidas as durezas ao longo de um diâmetro desta secção.· · . .,,

Define-se-então o d-iâmetro crítico .De ou diâmet-ro ideal Di,· que é o diâmetro do maior corpo de prova .com o qual é obtido a têmpera completa .em tôda a secção, Quanto maior o valor de De,. maior a temperabilidade dq aço. •

.Este· diâmetro pode ser encontrado,· quando em um gráfico é marcada a dureza no .centro de barras de diâ~ metros diferentes, fig.·.as.•Onde ocorre a variação brusca de dureza,.correspo~dé o diâmetro crítico.

O gráfico da fig •. 86, ~orr~l~~iona o diâm~tro ideal

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AÇO SA€3240 (A ( () Ç H V V /J" }f I IJ V I I !

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PARTE /'l/AO TéMPERADA

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35

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VAR!ACAO ZJE DUREZA EM FUNÇAÕ J)A M4RTENSI/A PRESENTE

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CVI?VAS DG L)U~GZAS NO

obtido com têmpera

.Fig,. ~4

CGNT.RO .DE 1341êR4S DE AÇO SAE-t090 ?"~MIP',GRAPAS

.Figo. 35 ideal (1) aos diimetros ideais em

lo ·A têmpera ideal é a têmpera teórica que permite esfriar a su­perfície da peça, <da temperatura de têmpera a temperatura do b~nho, <instantâneamente, A têm_,Pera em salmoura agitada, ,apro-Xl.ma-se dessa têmpera';·;b'deal , ·

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36

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Figo 36 função dos diversos meios de têmpera (severidade de têmpera H) e a fig. 3'7 correlaciona os diâmetros ideais aos diâmetros com os quais são obtidos teores mais ele­vados do que .50% de martensita nos centros das barras (até 100%).

2) M~todo de Jominy - Consiste em temperar pela ba­se, por meio de um jato d'água, em um dispositivo apro­priado, um corpo de prova, de forma padrão, cilíndrico, fig. 38.

Depois de temperado, o corpo é aplainado ao longo de 2 geratrizes opostas, em uma profundidade de 0,4mm: numa das faces assim obtidas são feitas impressões de dureza, a partir da extremidade temperada, em interva­los de 1/16''.

Os resultados são transcritos em um gráfico, e for­mam então a curva de temperabilidade, marcando a varia­ção de dureza a partir da base temperada.

Uma variação ·brusca da curva a distâncias prox1mas da extremidade temperada in di c a um aço de ·baixa tempe­r.abilidade (figs. 39 e 40).

:::

37

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..0/AME'TROS IDEAIS CO/If MAI.S .DL:: SO% .DE M4RTEN­Si7'A E.IVf RELAÇÃO A Di COM .50% DE MAR TENS/TA

Figo, 37

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.i)/:5 TÂNCIA .Zi/1 $XTR$:Mi.0Af;)J; .Z>O C.P. EM 'líi CURVAS J)€ JOMINY PARA AÇOS CO/VI 0.4% C é J)JFE­RéNrE:s ELJ::."MENTO~ DE i.IGA.; E: AÇOS COM TEORES VARIADOS .DE CARBONO E 0.,5%Mn.~ 1;75%/'li e D;2S% /Vio

Figs. 39 e .40

39 Pequenas alterações na material causam variações

nas .curvas, .. e hoje em dia muitos aços já foram estuda­dos e traçadas as faixas de temperabilidade respectivas

_Esses aços levam após o número designativo, a 1 etra H. (.Especificação SAE'), Na fig. · 41 são mostradas algumas curvas d&sse tipo. ·

A tabela 3 mostra a correspondência dos diâmetros de barras temperadas .em var1os meios, que apresentam certa dureza central,., com as distâncias da. extremidade de corpos de prova Jominy, ·que apresentam a mesma dure­za,

Assim,· exemplificando: com um determinado aço que apresenta uma dureza X.,, a distância de 13/16" no ensaio de Jominy, pode ser obtid·á a mesma dureza no centro de barras de 1;9 - 2~4- 3.2- 3~4 e 3;5 polegadas de diâ­metro,' se forem temperadas respectivamente nos seguin­tes meios: óleo sem agitação, óleo agitado,, água sem a­gitação, ,água agitada e salmoura sem agitação.

Influência do tamanho de grão na endurecibilidade,

A endurecibilidade dos aços é grandemente alterada pela variação do tamanho de grão, •.como most.ram o gráfi­co da fig •. 42 e também a fig. 15 ..

Cuidados a serem ·tomados na têmpera

1) No aquecimento as precauções são id.ênticas às que devem ser tomadas para o recozimento.

2) A temperatura e o tempo de permanência nesta de­vem ser bem controlados para evitar crescimento de grã~ ocasionando inconvenientes .como:' empenament.os, grandes tensões residuais,' aparecimento 'dé trincas •

. 3) Para acelerar o resfriamento é aconselhável agi­tar a peça ou manter o banho agitado durante o resfria­mento, -Com isto é impedida. a fixação das bôlhas forma­das junto à peça,· que diminuem a velocidade de resfria­mento, por impedir um .contato mais íntimo .entre a peça e· o líquido.·

.4) A quantidade de líquido deve ser suficiente para evitar uma grande modificação da temperatura dêste.

40 30

40 I I C O, ff/O~tB Mno_3Sjo.b5 ~ I Si0_,20/C?,35 Ni4, iO /5.30

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LJISTÂ NCIA DA EXTREMIPAJ)E DO CORPO DE .PROI/:4 EM Yt6'

FAIX4S .DE 7EMPE'RAElii..IOAOE DE ALGUNS .4 ÇOS Figo 4i

TABELA 3 41

Explicações: Correspondência entre o diâmetro de barras tempera­

das em vários meios e a distância da extremidade do corpo de prova J ominy, para uma mesma dureza.

A dureza obtida no ensaio de Jominy para cada posi­ção sucessiva de 1/16", pode ser obtida no centro de barras com os diâmetros indicados, quando temperadas em meios de têmpera, que possuem as severidades de têmpera dadas.

1• Distâ-ncia Diâme-tro em polegadas da barra equivalente-,temperadaj [' àa extre~ ~ ,,

midade do I corpo de Óleo sem Óleo a- Água sem Á~ua a- Salmoura Têmpera

prova Jo- agitaçãc gitado agitação g1tada sem agi- ideal

miny em tação

polegadas H=oJ 25 H=02 45 I H= i. O If:=1.5 H=2.0 H=co . .. I 1/16 Q.1 o. 15 0·3 0·35 0.4 Q.7

2/16 1/8 Q.2 0-3 0·5 0-65 Q.'75 1.15 3/16 o;35 0.55 o.85 1.0 1.25 1.6 4/16 1/4 0.5 0.80 1.15 1.3 1.5 1.9

.5/16 0.6 0.95 1..4 1.6 1.'75 2.2 6/16 3/8 0-8 1.2 1.6 1.8 2.0 2.4 '7/16

1/2 1.0 1.4 1.8 2.0 2.'3 2.'7

8/16 1.1 1.5 2.1 2. 3 2.5 2.9 9/i6 1.3 1.'7 2. 3 2. 5 2.'7 3. 2

10(·6. 5/8 1.4 1.9 2.5 2.'7 2.9 3.4 11/16 1.6 2.1 2.8 3.0 3. 2 3.6 12'/16 3/4 1.'7 2. 2 3.1] 3.2 3.4 3.8 13/16 1. 9 2.4 3.2 3.4 3.5 4-0 14'/16 '7/8 2.0 2.5 3.3 3.5 3.'7 4.2 15/16 2.1 2.'7 3. 5 3.'7 3.9 4.A 16/16 1 2.3 2,8 3.'7 3.9 4.1 4.6 1'7/16 2.4

l 3.0 3.9 4.1 4.2 4.'7

18/16 1 1/8 z. 5 I 3.1 .4.(!) 4.2 4.4 4-9 19/16

1/4 2: 5;- ' 3.3 4.1 4.4 4.5 5.0

20/16 1 2.Ç i 3.4 4.3 4.5 4.'7 5.1 2Í/16 2.8 3.5 4.4 .4.'7 4.8 5.3 22/16 1 3/8 I 2.9 3.6 4.5 4.8 4.9 5.4 23/16

1/21 3.0 3.'7 .4. '7 5.0 5.1 5~5

24/16 1 3.1 3.8 4.8 5.1 5.2 5.6 25/16 3.2 4.0 4.9 5.2 5.3 5.8 26/16 1 5/8 I 3.3 4.0 5.0 5.3 5.4 5.9 27/16 3.4 4.1 5.1 5.4 .5.5 6.0 28/16 1 3/4 3.5 4.2 5.2 5.5 5.6 6.1 29'/16 3.6 4.3 5. 3 5.6 5.6 6.2 30/.16 1 '7/8 3.6 4.4 5.4 5.'7 5.'7 6.2 31/16 3.7 4.5 5.5 5.8 5.8 6.3 32/16 2 3.8 4.5 5.5 5.8 .5.9 6.4

42

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PORCE"NTAtiEM .DE C4R.BONO

INF/J/ÉNC/4 .P0 /AMANHO .D& GR-iõ N4 ÇN.L>VR&:C/B/UPA.OE POS AÇ'OS

Fig. 42 Textura dos aços temperados

_0 constituinte micrográfico dos aços temperados ~ a ma~tensi ta._Pl ancha II, Esta se revel a ao mi c~o scópio sob a forma de finas estrias retas geralmente entrecor­tandoose segundo as três direções de um triângulo" É um aspecto característico, mas nem sempre muito pronuncia­do. Um aquecimento brando permite por em relêvo mais fàcilmen te esta estrutura.

A sua dureza elevada ~ explicada com as seguintes teorias:

l) precipitação de partículas de carboneto submi­croscópicas no reticulado do ferro alfa, que impedem o deslizamento ao longo dos planos de escorregamen to.

2) distorção do reticulado do ferro.

43

Os fenomenos acima citados criam tensões interna6. 3) A martensita é constituída por uma solução su­

persaturada e metaestável de carbono no ferro alfa, e se apresenta com a estrutura tetragonal de corpo cen­trado, devido justamente a essa supersaturação. Não a­presenta portanto variações de composição química de um ponto para outro. Esta supersaturação com modificação da estrutura cristalina do ferro é que causa a dureza da martensi ta.

Esta é a explicação mais recente e que melhor solu­ciona as questões relativas a rápida formação da mar­tensita, ao ser atingido e ultrapassada a linha M

5 das

curvas T T T. Quando o resfriamento não é muito rápido, dependen­

do do material, aparece junto com a martensi ta a troos­ti ta, Plancha VI.

Nos àços de baixo teor de 'carhon.o (hipoeu tetóides) e para baixas velocidades de esfriamento pode aparecer também ferri ta, Esta aparece também quando o aço é tem­perado de dentro da zona crítica.

Revenido - consiste no aquecimento de um aço tempe­rado, à temperaturas inferiores à da zona crítica, se­guido de um resfriamento.

O tratamento de revenido restitui aos aços parte das propriedades perdidas pela têmpera, principalmente a resistência aos choques.

Esses tratamentos são feitos geralmente entre as temperaturas de 100-~ e 650°C e seu efeito varia diret§. mente com esta e com o tempo de permanência a temperatg r a.

Para tratamentos entre 220° e 820° C podem ser uti­lizadas as chamadas côres do revenido, para determinar a tempera tu r a a tingida,

Dentro dessa faixa, os aços comuns apresentam côres variáveis com a temperatura atingida, côres estas devi­das à decomposição"da .luz por camadas de óxidos, muito finas, formadas na superfície da peça. As côres apre­sentadas são as seguintes, de acôrdo com a temperatura atingi da:

amarelo-claro amarelo-ouro pardo-avermelhado

- 220° c ~ ~40° c - 260° c

44

roxo azul azul-claro

- 2aooc - 300°C - azooC

Este é um processo muito usado na pr,tica. Os aços especiais - com elementos de liga - também

são coloridos quando aquecidos em um meio oxídante.As temperaturas de aquecimento para obtenção dessas côres variam com o elemento de liga e teor apresentado,

Fragilidade de revenido

Certos --aços-carbono apresentam fragilidade quando submetidos a ensaios de choques, a temperatura de 270° a ~70° C. Esta temperatura é vari,vel com o teor de carbono e o grau de encruamento do aço, É a chamada fragilidade azul; êles devem então ser utilizados em oy tras faixas de temperatura. Esta fragilidade parece ser devida à existência de oxigênio e nitrogênio.

Certos aços com elevados teores de manganês (i,25 a 2:6%) e aços níquel-cromo, após a têmpera, sendo reve ., nidos entre 430 e 600° C e esfriados lentamente, apre­sentam--se fr,geis; se, no entanto, forem esfriados bruscamente, tornam-se dúctei~-

Estas anormalidades pareé~m ser devidas a uma pre­cipitação de carbonetos-nos~~côntornos dos grãos durante o esfriamento lento, A adição de ô,~ a Oy5% de molibdê~ nio, conforme a secção do corpo de prova (maiores teo­res para maiores secções) elimina a fragilidade por e~

vitar a precipitação dos carbonetos Os aços que após a têmpera apresentam uma certa

quantidade de austenita retida, podem após _o tratamento de revenido apresentar fragilidade pela formação de martensita durante êste último tratamento. Um segundo revenido destas peças elimina essa fragilidade"

Textura dos aços revenidos

Com o aquecimento, a martensita presente nos aços temperados começa a sofrer alterações desde que a tem­peratura ultrapasse 100° C, porém a essa temperatura a textura apresenta pouca diferença da martensi ta.

A temperatura mais elevada essa alteração j' é bem

Martensita e troostita - temperado de 750" C no resfriamento - ataque -reativo de ácido nítrico. 500 X.

45 visível e o material apresenta o que se chama textura sorbíti c a, ainda bem semelhante à marten si ta (tempera­turas de 250° a 550° C).

A textura que se apresenta com tratamentos a tempe-: raturas mais áltas denomina-se sorbita. O seu aspecto é a de pequenos glóbulos de ·.cementita sob um fundo de ferrita, mantendo uma distribuição que lembra a textura mantensítica de onde proveio. Plancha VIL.·

Coalescimento - ·quando as tempera tura.~s de reveni do se avizinham do limite inferior da zona crítica, apa~e­

ce uma textura denominada coalescida. Esta pode ser ob­tida também por um aquecimento prolongado, e oscilando em tôrno de 720° C, a partir dos aços recozidos.

Entre todos os tratamentos a que um aço pode ser submetido, êste é o que dá dureza mais ·baixa (fi.g. 48)

800

700

600

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~ 500

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PORCENTAGEM DE CARBONO

.Figo 48

46

Textura de aço~ coalescidos

Os aços coalescidos apresentam glóbulos grandes de cementita dispersos na ferrita. Plancha VIII,

Tratamentos ~sotérmicos dos acos

Baseados no conhecimento das curvas em S, podemos executar os chamados tratamentos isotérmicos.

Recozimento - Esfriando-se bruscamente um aço com­pletamente austenitizado, a uma temperatura abaixo da zona crítica, mas acima do cotovelo da curva (550°··c a­proximadamente), e deixando-se a essa temperatura du­rante o tempo suficiente para terminar a transformação da austenita (fig. 44), executamos um recozimento iso­térmicoo

TEMPO- ESC. LOG. Fig, .44

Os produtos de transformação resultantes são os mesmos obtidos pelo recozimento simples, isto é, ferri­ta e perlita ou perlita ou perlita e cementita, depen­dendo do teor de carbono do aço, porém a estrutura for­mada é mais homogênea, e pode-se escolher uma determi/ nada temperatura de esfriamento no qual se consegue di­m1nu1r o tempo de recozimento de uma peça e a sua dure­za ..

Sotbita - aço temperado e revenido - ataque - teativo de ácido nlhico. 500 X.

Fenita e glóbulos de cementita - aço coalescido - ataque -reativo de ácido nítrico. 1000 X.

47 Após as transformações a peça pode ser esfriada mais ràpi dam ente,

Austémpera - Este método consiste em esfriar brus­camente o aço, da temperatura de austenitização para uma temperatura abaixo do cotovelo da curva em S, mas acima de M s, na faixa de formação da baini ta (fi gc 45),

Aes ESFRIAMENTO

PRODUTO: .,8,4/NITA

7"-EMPO - êSC. LOG.

Figo 45

Como já foi visto, a bainita apresenta elevada du­reza (quando formada a baixas temperaturas) mas não é tão frágil, como a estrutura apresentada por um aço temperado e revenido apresentando a mesma dureza, como pode ser visto no exemplo da fig. 46 .

. Este processo é indicido para peças de pequenas secções, pois o meio de esfriamento (sal ou metal fun­dido) dá uma baixa velocidade de esfriamento. Com aços ligas os diâmetros podem ser aumentados.

Não havendo uma queda de temperatura mui to grande e não hav~~do formação de martensita, as tensões internas que aparecem são menores do que na têmpera,. não havendo distorções e emperramento das peças.

A ~ustêmpera é usada para tratamentos de arames, peças de armas, etc.

Mar têmpera - O esfriamento brusco da têmpera produz tensões internas nas peças, podendo ocas1onar o apare­cimento de empenamen tos e trincas.

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20

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.PUREZA ROCKWELL C

.Fig. 46

O tratamento conhecido por martêrnpera, que consiste em esfriar o material a urna temperatura pouco acima de Ms, até a temperatura ser pràticarnente igualada no cen­tro e na superfície e sem- dar tempo para que haja iní­cio de formação de baini ta, seguido de uin resfriamento ao ar até a temperatura ambiente, evita Ssses inconve­nientes. Com êste tratamento é evitado também o apare­cimento de trincas microscópicas que aparecem geralmen­te nos aços de alto carbono temperados violentamente, e que diminuem a sua resistência e aumentam a fragilidade

Esse tratamento é representado esquernàticarnente na fi g, 47.

Na têmpera comum as tensões aparecem devido a que às transformações austenita-rnartensit~ ocorrem em tem­pos relativamente diferentes, nos diversos pontos da peça- periferia e centro ou. partes finas e partes grossas.

No tratarnen to de rnartêrnpera o gradiente de tempera­tura é muito menor durante o resfriamento para formação de rnartensita, e esta ocorre então muito mais uniforme­mente em tôda a peça, o mesmo acontecendo com o apare­cimento das tensões.

Esse tratamento_, assim corno o de austêrnpera, apre­senta dificuldades quando as peças são de grande espes-

49

Ae.3

PRO.DUTO: tvfART~NSI TA

Ti:MPO- Esc.. Lo9 .

. Figo 47 sura: para removê-las utilizam-se aços ligas adequados e agitação do meio de resfriamento c

Após a martêmpera, o aço, se fôr o caso, pode ser revenido, para que sejam obtidas as propriedades dese­jadas,

Na tabela 4,

de fusão, e .faixa térmicos,

são dadas as composições, temperatura de emprêgo de sa1s para tratamentos

TEMPERA SUPERFICIAL DOS ACOS '

A têmpera superficial de peças de aço, é aplicada quando é desejada sàmente uma camada endurecida, ou quando pôr sua forma, dimensões, e tipo de aço emprega­do, não é possível endurecê-la por meio da. têmpera nor­maL

O processo consiste como o nome indica, em aquecer rápida e só superficialmente, a peça ou zonas da peça que devem ser temperadas, esfriando-as a seguir ràpida­men te.

O aquecimento pode ser feito por meio de chamas fig. 48, ou por meio de.correntes induzidas aqueci-mento por indução fig. 49 e 50.

Figo 48

Os tratamentos em geral são feitos mecânicamente, podendo haver deslocamento da peça sob 6 sistema de a­qri:ecimento, e esfriamento, ou o deslocamento dêstes es­tando a peça fixada, ou combinação de movimentos,

As peças assim tratadas podem sofrer deformaç5es e cuidados especiais devem ser tomados para prevení-las, podendo a peça, inclusive, se:r.· feit·a, depois de previs­to ou verificado o· grau de deformação que sof:r.erá, com uma deformação igual, mas de sentido cbntrário àquela,. fig. 51. .

Fig, 49

.Figo 50

Peças grandes em geral sofrem pequenas deformações, pois que a grande massa.metálica fria, pode suportar os esforços causados pelas tensões que surgem na fina ca­mada temperada.

52 .DE,t:ORMAç.f"O

~~·' rzmz,zv;;~Zú?zl>T~ L___ __J (a)

(h) .])<:FORMAçÃO .D4D4 ANTES .DA 7"ÊMPERA PARA EVITAR O CASO (Ot)

Fig, 51 Esta camada pode ter sua pro·fundidade

demente, na dependência da velocidade·...Oe da chama ou peça ou tempo de aquecimento, da de do aço, meio de têmpera, etc,

variando grau caminh amen to temperabili~

Os aços de alto teor de carbono, apresentam mais fàcilmente, quando assim tratados, destacamentos da ca­mada enáurecida. São recomendados para êsse tratamento principalmente aços contendo entre Ó;4 e 0;6% de carbo-no,.

***

TABELA 4 -- - -----. ·-·

'· NaJV03 NaCl KCl DaCl2 NaN02 J<N03 CaCl 2 Na(Jif Na2(])3 f( (]\f

!

Cloreto Cloreto Cloreto Nitrato Nitrato Nitrato Cloreto Cianeto Carbong Cianeto Tempe- Zona de te(T].

sódio potássio bário sódio sódio potássio cálcio sódio to sódio po tás - ratura peratura de si o de fu- uso r e come(}

são dado , o c o c I

I 40 50 50 60 140 160 6 50 40 50 _, 50 60 22 o 26 0 630 96 min .. 37 o 400 6 50

:30 40 15 40 30 50 54 9 620 811) 115 25 25 35 , 45 5!5 480 510 760

45 5!5 45 55 ' 67 5 73 5 898

15 25 ?.O· 30 50 60 595 675 925 20 30 70 80 705 76 o . 925 lO 20 80 ·90 76 o 815 1095

'98 mln , '980 1035 1340

4 8 92 '96 87 o ·955 1260

4 max I i li ·96 ml n 4 max 620 785 '955

' I. i) - ,. '· ~ 4 max 96 mln 6?.0 785 955

5 10 40 5o 35 40 620 840 955 15 25 45 50 20 30 (l3aCD3 ) 62 o 815 955 ?.0 30 15 25 30 40 20 30 620 785 895 10 15 70 80 10 15 620 815 955 15 25 60 70 15 25 620 815 ·955 40 50 40 50 5 10 6?.0 815 955

60 70 30 40 4 95 525 675 55 65 35 4F 495 525 6751

I I ' I

li - .. .. .. - - ------- . --

54

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***

PARTE 11

TRATA"-1ENTOS TER!·40 -QU I ~11 COS DOS ACOS

INTRODUCÃO

55

Por cemen taç ão compreendemos o tratamento termo­químico de aumento do teor de um elemento na superfície de um metal ou liga, com o fito de obter certas propri­edades superficiais.

O têrmo cemen tação é empregado para o tratamento que tem o fito de aumentar ? teor de carbono na super­fície dos aços; os outros tr·a tamen tos termo-químicos e­xecutados sôbre aços ou outras ligas, tomam designações diferentes,

A cementação é um processo conhecido há muito tem­po, havendo citação no primeiro livro conhecido sabre metalurgia: De La Pirotecnia: - Vannoccio Biringuccio -1540 - Sôbre o método de fabricar aço - cap. VIL

O processo já era empregado a 1200 anos A, C, no E­gito, como p6de ser verificado por exames metalográfi­cos feitos em peças dessa época.··

O processo de cementação consiste em aquecer a par­te a ser cementada em contato com um sólido, líquido ou gás, contendo o ou os elementos cementant.es e que podem cedê-los a essa temperatura, ocorrendo então a sua difusão da periferia para o centro da peçao

A cementação dos aços pelo carbono é empregada de maneira a elevar a sua du~eza superficial, deixando o seu núcleo mais mole e tenaz, as peças apresentando en­tão maior resistência ao desgaste e com boa resistên­cia aos choques. Como exemplo de aplicações podem ser citadas engren~gens, assentos dos mancais nos virabre­quins, pinos de pistão de automóvel, excêntricos, etc.

As peças para serem cementadas, devem ser submeti­das a êsse tratamento depois de ·prontas, tornando-se necessário s~mente um pequeno acabamento superficial, para evitar a retirada de parte da camada cementada, justamente a mais rica em carbono. Na Plancha IX, pode

56 ser visto o aspecto micrográfico junto a superfície, de uma peça cemen tada. ·

CEMENTAÇÃO PELO CARBONO

Esta se faz pelo processo sólido ou em ca~xa, como é denominado, e pelo processo. de gás, pela ação do CO.

3 Fe + 2 CO~C (no ferrO) + C02 (1)

No processo líquido a cementação prov~velmente tam­bém ocorre pela ação do mesmo gás, que nêle está dis­solvido~ Outras reações também ocorrem nas cementações a gás e por líquido.

CEMENTAÇÃO EM CAIXA

Na cementação em caixa a ação do 00 vai depender da relação CO:C0 2 , que é função da temperatura (fig~ 52)

desde que haja carbono suficiente em presença, segundo a reação:

,r/oo

1000

30o

8oo

700

çoo Goo

~o o

.300

I I

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['... ~ ~ .,... ..;;;;;:: ~~~~

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o 10 2030 40.50 &O '70 IJD!JIA /t:>O CO#! ~o oco

Fig, 52

(2)

Aço cementado - Periferia - troosto - perlita - Interior -ferrita e perlita - ataque - reativo de ácido nítrico. 150 X.

57 A cementação que ocorre, como já foi dito, por ab~

sorção e difusão do carbono pela superfície metálica é possível, pois que à temperatura de tratamento, o ferro está na forma alotrópica gama que pode absorver e dis­solver-carbono.Se a relação CO:C02 é aumentada, o teor de carbono no ferro também será aumentado e há interês­se então em manter o teor de CO ·bem alto para que não possa ocorrer a descarbonetação, ( figs, .53 e .54).

~C-r Fe /

Fe :se / cuRI0.

~ ·; ,./ I ,J-;#!/ ~VS7êJ vjm 1/ J I f: E!< RITI"J / I

a7 ~ v / /}; I ~ - •( ~c _d( VAv v ~ / - ~ ~y ,éf>o ;;---, ~ v -~ ~ --:ç..._-9 -

r>"- -- - --68 72 76 80 84 88 .92 (00

PORCéNTAGEM DE co

Fig, 53

Por Ssses gráficos pode ser observado que qllianto mais alta a temperatura maior a relação CO:CO;., necessá­ria para obter o mesmo teor de carbono no ferro.

O fenômeno o;:;or-rendo por difusão, quanto mais alta a temperatura mais rápido é o fBnÔmeno, porém as tem­peraturas de tratamento são mantidas na faixa entre 900 a 950°C principalmente visando um menor desgaste dos fornos e das caixas. Nesta faixa o material está completamente austenitizado e a reação é relativamente rápida •

. Na cementação sólida ou em caixa sempre são obtidas condições satisfatórias quanto a relação CO:C0 2 , desde

58 que o material esteja austenitizado, para o aumento do teor de carbono.

Estas condições são ainda melhoradas pela adição :J

de agentes catalíticos, sendo mais generalizado o emprf go do Carbonato de Bario. A ação dêste elemento ainda não está bem explicada.

PORCENTAGEM .DE Cq Q 24 20 /6 12 8 4 o ~ lóO.---,----.----.---~---r~~

~ "'t u /.20~--~----,_~--+----+-+--44-4+m ~ ~qBor---~~~---4~~r-~~~~ <.:)

~ ~ Q4o r-~-r--~~~~~~~~~1~H v ~ (\_ o 76 80 8~ 88 ..9Z ..96 /00

PORCENTAGEM Dfi CO

.Fig. ~4

Podemos ter as seguintes reações:

reaç_ão aumento da relação· CO/C02

Ba COs + C"'";BaO + 2 co (3) pelo aumento d·e co '

BaO + C02~BaC03 (4) pela diminuição de co2

ou ainda

BaC0 3 ...::;.BaO + C0 2 (5)

BaO + 2 CO+ 3 Fe;;:::BaC03 + C ·(no ferrO) (7):

Outra teoria bastante aceita é a seguinte:

59 O carbonato de Bario, com o aquecimento se decompôe

lentamente segundo a reação (5) liberando co2 gue com­bina-se com o carbono, dando o~monõxido de carbono, (reação 6) enriquecendo a mistura com êste gás; o des­prendimento de C0 2 facilita o apareéim.ento_do COe ·:Este reage com o ferro segunda a reação (1) •

. No resfriamento, diminui a relação CO: C0 2 , segundo .a reação (2) e gráfico da fig.52, ocorrendo então are­ação (4).

Uma teoria qu~ explica. razoàvelmen te .O proc;:es_§>O po­de ser resumida nas seguintes reaçõesl-'

BaC03 + c _-saa + 2 CXJ (3)

a decomposição do carbonato de bario em presença do carvão dando diretamente monoxido de carbono, e para cada temperatura, mantendo um teor dêsse gás, mais ele­vado do que o indicado pela curva da· fig" .52.

Se ocorresse a reação de decomposição (5) e a se­guir a reação (6) esta só atingiria a curva de equilí­brio, (fig .. 52) e não seria obtida uma atmosfera mais rica em monoxido de carbono.

Pela lei de ação das massas, quanto maior fôr a concentração de CXJ, mais rápida se torna a· reação, que é o verificado comparando cemen taçõ es executadas só com carvão e com carvão mais carbonato de bario.

A segu1r ocorreria a reação (7}:

BaO + 2 CO + 3 Fe-!:.BaC03 + C "(No ferro")

o carbonato se recompondo - tendo somente função catalític~··- e o ferro absorvendo carbono, a reação sendo ativada pela existência de uma atmosfera· mais r.i c a em monoxi do, '

A mistura de carvão e Carbonato de Bario, toma o nome de cemento (1), e foi estudada e aplicada pela primeira vez por •Caron em 1906, Esse pesquisador utili­zou e r.ecom~ndava uma mistura de 60% de carvão (de m! deira, ossos ou chifres) ~ 40% de Carbonato de Bario. O cemen to com essa composição 1 eva o seu nome.

Tossi indica a seguinte composição como sendo ma1s

1. Qualquer elemento ou mistura utilizada com o mesmo fim, toma o nome de cemento.

60 barata e produzindo melhores efeitos.

003 Ba - 15% e carvão de madeira - 85%~

utilizado a uma temperatura de 880 ~ 910°C. Recomenda gue de~e ser evitado o uso de carvão an~­

mal (couro, ossos, etc.) bem como o mineral, devido a impurezas nocivas que podem introduzir no aço (S e P).

O carvão deve ser moido a uma granulação fina (5mm ou menos) ou mesmo a pó e a s'eguir ser bem misturado com o carbonato.

O teor de carbonato adicionado parece ter influên­C1a no teor de carbono superficial no final do trata­mento.

OPERAÇÃO DE CEMENTAÇÃO

Com o cemento ou com carvão puro (1) 6 formada uma camada bem socada, de aproximadamente dois centímetros de espessura no fundo de uma caixa metálica.

Sôbre essa camada são colocadas as peças a serem " cementadas, deixando entre si uma distância de dois centímetros. Se as peças são muito grandes essas dis­tâncias podem ser aumentadas.

As peças são recobertas com cemento, também bem so­cado, com uma camada da mesma espessura já indicada, e sôbre esta são colocadas mais peças. Dessa maneira pode ser cheia completamente a caixa, sendo tomado o cuidado de manter na parte superior uma camada de cemento.

A caixa é tampada e colocada no forno. A vedação da caixa se fôr perfeita diminui o consumo de cemento.

A temperatura a ser atingida varia entre 850° e 1000°C sendo recomendado como já foi visto a faixa en­tre 900-950°C ..

O teor desejado de carbono na camada periférica é da ordem de 0,8-0,9%. Se o teor fôr mais elevado apare­ce cementita livre nos contôrnos dos $rãos, dando maior fragilidade ao aço.

O teor de carbono varia da periferia para o centro da peça, essa variação sendo função da temperatura e do tempo de permanência como pode ser visto nos gráficos das figuras 55 e 56.

1. wmo já foi indicado o carvão puro não cemen ta bem a nao ser com operação demorada.

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61

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.EM POLEGI"'DAS

EFE'/TO DO /EMPO NA CEMENTAÇÂO .DO FERI?O À r&MPERAíl/RAô ..)';)I~E.QENT&S

Fig, 55

A profundidade da camada cementada é controlada pràticamente por meio de corpos de prova, retirados de tempos em tempos da caixa e que são quebrados,. A ôlho pode ser observada a espessura da camada~

O tempo de permanência vae depender da espessura desejada da camada, e é função também da temperatura.

Terminado o tempo de tratamento, as peças podem ser deixadas no forno para esfriar, mas é mais recomendável deixá-las esfriar fora do forno. Com o abaixamento da temperatura, o teor da co2 é aumentado, e as peças no interior da caixa estando em uma atmosfera mais rica nêsse gás, descarbonetam em parte. As caixas fora do forno esfriam màj.s 'r.àpidamerrie -evi tandp em parte o fe­nômeno.

62 ~ ~ 1,2.

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,PENETRAçÃO Svf POLEGA.OA

-- Fig. 56 Deve ser evitado o emprêgo de caixas muito grandes

para peças pequenas, para evitar diferenças de cementa­ção entre as peças que ficam próximas às paredes das caixas e as mais centrais .. Este fenômeno FOde ocorrer devido à ·baixa condutividade térmica do carvão, dando causa a um longo tempo para homogenização da temperatu­ra na ca1xa.

TRATAMENTO TERMICO DAS PEÇAS CEMENTADAS

O material cementado tendo ficado muito tempo a al­tas temperaturas deve sofrer um tratamento térmico para regeneração da granulação, que em geral fica grosseira, e um tratament~ de t~mpera para endurecer mais a s~per­fície, que é o fim visado.

Esse tratamento pode ser levado a efeito do seguin­te modo:

a) normalizar, a temperatura dêsse tratamento sendo indicada pelo teor de carbono original do material, Dess~ maneira a granulação do material é diminuida,

b) temperá-la de uma temperatura indicada pelo teor de carbono da parte periférica.

Este segundo tratamento não alterará mui to a parte interna, pois a temperatura é insufici~nte, e ela con-

63 tinuará dúctiL

Outro tramento também recomendado é o seguinte: 1) temperar a peça de aproximadamente 900°Co 2) aquecer a 770°C e temperar novamente, .Es~c;a segunda têmpera dá uma superfície ·bastante du~

ra e tenacidade ao núcleo. Outros tratamentos podem ser feitos e estão esquema­

tizados na fig, .57,

F~~~~~-=~~~çAÕ ~~- -/Ae~o N<Jdec:_

1\LV_!c;n I Ac, au Svp~rfiéle -

I lqtS% C

T.EOR l)E CARBONO --

l2EP.R~..:SE#TAÇ40 .€St;U~NÁT101 .1'JE ..:1)/1/F.fl;S'as rl<tifrAN&NTOS /1 t:i?V4 PO.DEM ..SER cSUBMGTI'Pt/S Aç:JS CG;WêN?»PtJS

.Figo ,5r7

A Plancha X mostra o aspecto de uma peça cementada e trata da termicamente, Temp·ex-ada,

AÇOS PARA CEMEl\1'fAR

Qualquer aço de baixo teor de '-arbono - geralmente sendo ~mpregados aços co~ até 0~2% C- pode ser cemen­tado,

O teor de manganês deve ser ·baixo, menor do que 0;4'J{Mn, pois que .êsse elemento torna frágil a .camada cemen tada, tornando fácil o seu destacamento da parte

·não cementada. Outros autores já :recomendam aços com até l% de manganês,

Outros elementos que também devem aparecer em ·bai<O xos teores são; o alumínio. o vanadio e o silício pois que restringem a zona austenitica, êste último podendo

64

também promover ainda a grafi ti zação do carbono. O níquel é empregado em teores até .5%. É um ele­

mento desejado, pois apesar de diminuir a velocidade de difusão, impede .em parte o crescimento dos grãos e dá maior tenacidade ao aço, Aços cromo-níquel. também são utilizados, facilitando a têmpera e dando camadas mais duras em seções maiores. O rnolibdenio é também mui tas vêzes empregado.

Para peças que devem resistir a esforços elevados, além de ap resen tarern grande dureza. super fi ci al, devem ser empregados êsses aços ligas, ·bem mais caros, e em casos comuns, em que só é exigido dureza para resistên­cia ao desgaste, podem ser empregados os aços ao carbo­no.

Na tabela V, são dados alguns aços para cernentação e suas aplicações.

DEFEITOS NA CEMENTAÇÃO

As peças cementadas podem apre.s\,;ntar defeitos, que aparecem durante essa operação· ou durante os tratamen­tos térmicos posteriores Podem ser devidos ao material empregado ou a operações mal conduzidaso

Entre .êsses defeitospodernos citar: 1) deformações - devidas a aquecimentos ou esfria­

mentos defeituosos das peças, ou má colocação das peças no interior das caixas,

2) destacamentos de camada cemen tada, possl velrnen te devido a. ait.os teores de manganês ou temperatura· baixa de cementação, dificultando a difusão: o destacamento pode ocorrer quando há variação ·bru.sca do teor de car­·bono da parte cernentada para a não cernentada,

3) fragilidada na superfície - teor muito elevado de carbono na periféria da peça, com aparecimento de urna rede de c~rnentita. Mesmo que o aço seja revenido após a têmpera, a rede de cernentita, dura e frágil, torna a camada cementada frágil, Esta fragilidade pode ser corrigida procedendo-se a um trataq~ento de coales­cimento, seguido de têmpera; os glóbulos de cementita que permanecem após a têmpera e reven_ido não acarretam fragilidade e aurnen tam a.. resistência ao desgaste.

4) trincas superficiais- êste fenômeno ocorre na rnaior.parte das vêzes devido<' à deieitci._de"'t~mpera::;~po§

Aço cementado - temperado - Periferia - martensita - Interior -ferrita e martensita - ataque - reativo de ácido nítrico. 500 X.

TABELA V

Aços para cementação e suas u ti li z ações

tipo composição Aplicações SAE c Mn Ni C r JÍj:i:J l'

3115 o, 13-0,18 0,40.-0,60 1, 10~1, 40 0,55-0,75 En gren agen s, brocas de perfurações geà lfgi c as

3120 0,17-0,22 0,60-0,80 1,10-1,40 0,55~0,75 Eragrenagens, coroas,pf: nhões

412 o 0,17-0,22 0,70-0,.90 o,6o-o,8o 0,20.;.0,30

4611) 0,13-0,18 0,45-0,65 1, 65-2,00 0,20-0,30 Engrenagens, pinos, ei-46 2 o 0,17-0,22 0,45-0,65 1, 65-2,00 0,20-0,30 xos 612 o. 0,17-0,22 0,70-0,90 0,70-0,.90 o,1omin 2 3 2 o 0,17-0,22 o,4o~o,6o 3,25-3,75

2512 o, 09-0,14 0,45-0,60 4,75-5,25 Vibraquins, engrenagens

3315 o, 13-0,,18 0,45-0,60 3,25.:..3,75 1,40-0,75 Engrenagens, pinos, Pi nos de pistão

~

43 2 o 0,17-0,22 o, 45-0,65 1,65-2,00 0,40-0,60 o,. 2 o- o} 3 o Eixos, engrenagens,pi-

4820· o1 18-o,23· 0,50-0,70 3,25-3,75 0,20-0,30 nos.

-

66 terior a cementação.

5) pontos moles - a presença de óxidos na superfí­cie da peça pode causar .êste defeito.

Sauveur chama de anormais os aços que apresentam pontos mol.es, e normais os outros, e segundo êsse autor os aços acalmados, desoxidados com silício, zirconio ou titanio são normais,e os efervecentes,aca1mados no mol­de com alumínio, são anormais.

Segundo Colpaert nos aços cemen ta dos com estrutura hipereu tetóide, quando se forma uma orla de ferri ta en~ tre os grãos de perlita e a rêde de cementita o aço é considerado anormal e tende a apresentar pontos moles. Plancha XI- Cita como prováveis origens dessa textura a existência no aço de óxidos de ferro e ou óxido de alu­mínio,

CEHENTAÇÃO PARCIAL

Muitas vêzes ocorre a necessidade de só parte de uma peça precisar ser cementada.

Vários métodos são recomendados, com aplicações a­proximadamente definidas em cada caso: podem ser cita­dos os seguintes métodos:

1) cimentar a parte da peça que não deve sofrer o tratamento com cimento a base de silicato de sódio. (silicato de sódio e caolim)

2) coberturas dessas partes com cobre depositado e­letroB. ticamen te.

3) cobertura com areia fina - método não muito efi­ciente, pois há penetração do .gás CO através os grãos de areia.

4) deixando nas áreas especificadas uma certa quan­tidade de metal, que será usinada posteriormente,. sendo retirada dessa maneira a camada cemen tada .

. CEJV!ENTAÇÃO A GÁS

As peças são introduzidas em um forno juntamente com gases tais como metana, etana, etc •. Esses gases não são usados puros, pois dessa maneira depositam muita fuligem sôbre as peças, que atrazam a reação. Contro­lando a temperatura e a quantidade de oxigênio e por-

Aço com estrutura anormal - Perlita cementita e ferrita - aço cementado a 900" C durante três horas - ataque - reativo de ácido nítrico. 500 X.

67 tanto a quantidade de 00 formado, a cementação pode ser controlada.

As reações de cementação que ocorrem podem ser as~ s~m exp 1 i cadas:

2 00 + 3 Fe~C (No ferro) + C0 2 (a)

· (1 o)

Os gases carbonetantes devem circular para afastar de junto da superfície da peça os gases resultantes das reações, que são descarbonetan tes (C02 , H2 , H 2 0}.

Segundo Grossmann a velocidade de cementação por 00 saturado de benzeno, é da mesma grandeza da velocidade de cemen tação em caixa.

Depois da cementação é possível manter a peça aque­cida em ambiente não cementante possibilitando uma ma~or difusão do carbono, tornando mais homogenea a ca~

mada.

CEMENTAÇÃO EM LIQUIDO

A cementação é feita em sais fundidos, geralmente cianeto de sódio, em presença de outros sais: cloretos e carbonatos alcalinos, ~ de bario, de cálcio ou de es­troncio,- êstes elementos tendo função de catalizadore&

As reações para cementação são as seguintes:

2 Na (Cri) + Ba Ci_2 :;;::: Ba(CN) 2 + 2 Na Cl (11)

Ba(CN)2 + 3 Fe ~ C(No ferrO) + Ba CN2 (12)

Na tabela VI são dadas composições de banhos para cementação. A temperatura varia entre 840 .a 950°C.

Podem ser obtidas camadas com até 6,0mm de profun­didade, com banhos para. cemen tação pro funda.

A cementação em banho é segundo alguns autores, muito mais rápida do que em caixa, pois as reações se processam com maior velocidade, sem levar em conta o a­quecimento que também o é.

68 TABELA VI

Composição de banhos

acelerado profundo cianeto de sódio 17 23 7~5 - 12~0

c lo r e to de Bario 15 40 .45 -.55 terras alcalinas 6 3y5 2 10 elo r e to de Potássio .5~.5 - 20~0

·cloreto de Sódio 20 30 o - 15 ·carbonato de Sódio 30 max. 30 max. cianato de Sódio 1 max. 0~3 max.

Pode ser também regulada a composição do banho para ser atingida um certo teor de carbono superficial.

Uma cementação muito superficial pode ser obtida por mergulharnento de urna peça de aço em uma mistura de cianeto de potássio e ferrocianeto de potássio, fundida ou uma mistura dêste áltirno sal com ·bicromato de potás­S10,

Muitas vêzes" em oficinas, não é empregada a mistu­ra fundida, mas simplesmente mergulhando a peça aqueci­da entre $40 e 950°C em uma das misturas acima, em pó.

Se a temperatura fôr inferior a citada, há maior a­bsorção de nitrogênio, dando ao tratamento mais uma a­parência de cianetação.

C I ANET AÇÃO

Outro tratamento terrno-quírni co para endurecer as súperfícies de peças de aço é a cianetação.

Estas absorvem como foi citado anteriormente, car­bono e nitrogênio; o tra tarnen to pode ser feito em banhos de sais fundidos, ou em meio gasoso.

O sal mais utilizado é o cianeto de sódio, por questão de eficiência e também economia, pois é mais barato que o mesmo sal de potássio. Juntamente com o cianeto são usados carbonato ou cloreto de sódio,

Mui tas vêzes o tratamento é feito pela imersão das peças aquecidas na mistura dos sais em pó.

As reações (11) e (12) são relativas a absorção do

69 ~

carbono do cianeto, o nitrogênio sen·do cedido pelo cl.a-nato que se forma por oxidação~.:

2 Na CN + ()2 ;;;;::: 2 Na CNO (13)

A concentração do cianeto é muito variável, os ou­tros saisiservindo como diluente, retardando a decompi­sição daquele.

Usam-se misturas ·com teor de cianeto variando entre '7.5 e 95%, para utilização sem fusão dos sais ou como enriquecedor de outros banhos, após êstes terem sido u­sados durante algum tempo. O teor-de cianeto dêstes ·ba­nhos deve variar entre 30 e 45%"

O tempo de imersão pode variar grandement~, em ge­ral sendo empregados tempos entre 20 e 60 minutos.

A penetração não é muito elevada, sendo da ordem de 0,2mm e os teores de carbono e nit~ogênio variáveis com a temperatura.

Grossmann cita os seguintes valores:

para 700° C

para 815° C

N 5% c 0,8% N o,.5%

c 1,· 5%

Após o tratamento as peças devem ser temperadas e revenidas, para obter a dureza desejada. Se a tempera­tura de tratamento de cianetação fôr suficiente, a peça pode ser temperada diretamente.

A cianetação pode ser feita em decomposição de amônia misturada com no f~rno onde estão as peças .

meio gasoso, por um gás carburante,

. Este tratamento ·parece ser mais barato do que por meio de sais. O teo~ de amônia varia conforme o trata­mento térmico que será dado posteriormente ao aço, de 1 a 15%.

A temperatura de tratamento a espessura da camada variando de tratamento.

v a ri a entre 7 30° e 8 30°C com esta e com o tempo

.70 N ITRETAÇÃO

A nitretação é outro processo de cementação que causa o endurecimento superficial dé peças de aço, fe­nômeno que ocorre pela absorção somente de nitrogênio.

Esse processo foi descoberto por Fry em 1920, e consiste em fazer passar uma corrente de amônia sôbre as peças, a uma temperatu~a de .500°C.

O nitrogênio combina-se com o ferro formando o nl.­treto de ferro FeJI, ·bastante duro. De acôrdo com .Fry a durezfl::::;.2a peça não é devida a própr.ia dureza dos nitre-i'. tos, "iÍf~·l sim devido a influência dêstes nó reticulado

• do ferro. Para obtenção de melhores propriedades, o material

a ser nitretado deve ter sofrido anteriormente um tra­tamento de têmpera e revenido, apfesentando portanto uma textura sorbiticao

A peça para ser nitretada já deve estar perfeita­mente acabada, - is,J;Q,·porque a camada nitretada é :bas­tante fina e será â{tlrada em parte com o acabamento da peça, ·- e sem traços de dclscarbonetação, - para evita r pontos mais moles.

Peças que devem apresentar grande precisão de medi­das, são produzidas com- uma dimensão calculada, um pou­co menor que a final desejada, pois que sofre uma ex­pansão com a nitretação, .Esse aumento é constante em condições idênticas e deve ser determinado para cada peça.

O tratamento não induz pràticamente distorção ne­nhuma do material, pois a temperatura de tratamento é bem baixa e o resfriamento posterior pode ser lento.

A temperatura varia entre .480° e ·540°C. O tempo va­riando entre 35 a 70 ou mais horas, dependendo do aço,

Qualquer tipo de aço pode ser ni tretado, não apre­sentando porém os mesmos resultados que são conseguidos com os aços especiais para nitretação, mas têm suas propriedades - resistência ao desgaste, limite de fadi­ga, resistência a corrosão - melhoradas.

Segundo Tossi o tratamento não é aplicável a aços nos quais a temperatura de ni tretaçãci anula' o efeito da têmpera., Em aços rápidos, o tratamento sendo feito após a retificação, dá um aumento de até 70% no rendimento.

71 Os aços especiais para nitretação contém elementos

de ligas como o cromo, o molihdenio, o níquel e o alu­mínio, sendo os mais indicados os com as seguintes com­posições médias:

aço

135 135(mod.)

N

c Si Mn C r

0..;55 1,20 0,60 1;'70 0,65 1,25

.Jl:Jn A l-f •. :.Ni

0~20 1,0 O, 35 1,1 0,25 0,_9 3, 6

A profundidade da camada nitretada é de 0,25 a Üy50mm e a dureza varia entre 920 a 1200 Vickers (i).

A dureza atingida por um~ peça nitretada não é al­terada mesmo com aquecimentos prolongadas a tem·peratu­ras da ordem de .540°C.

Peças que tenham partes que não devem ser nitretar;.-· das podem ser recobertas nessas partes, como na cemen­tação, com cobre ou tinta a ·base de silicato, ou com z1nco,

Outros tratamentos superficiais

Outros tratamentos termo-químicos superficiais são conhecidos, sendo a maior finalidade nêstes casos au­mentar de algum'a maneira a resistência a corrosão, a oxidação e a oxidação a altas temperaturas.

Entre êsses processos temos; a impregnação por Z1n­co, por cromo, por alumínio, por silício e ainda a OX1-dação superficial,

A impregnação por-ztnco denominada Sherardização(2) é realizada colocand~ as peças em tambores rotativos em meio a uma mistura de zinco em pó e 5 a B% de seu óxido e_ aquecendo o conjunto a 350-400°C, o tempo variando entre 3 e 12 haras, conforme a camada desejada.

O material assim tratado apresenta grande resistên­c1a a corrosão atmosférica.

A imp!!'egnação por cromo é feita principalmente com aços de baixo teor de carbono- 0;10, 0;20%C, existindo

l. Em geral é usado êsse tipo de dureza com carga de 10kg, ou en­tão a dureza Rokwell superficial por serem as camadas extrema­mente finas.

2.Descoberto em 1901, por Sherard Cowper Cole.

72 vários processos patenteados para a obtenção dêsse de­sideratum.

A impregnação por cromo foi ideada por Kelly em 1921, o seu processo sendo quase idêntico ao citado em primeiro lugar logo a seguir, tendo sido desenvolvido na _blemanha e Russia por vários pesquisadores.

Entre os vários processos são citados: 1) Aquecimento em caixas fechadas contendo uma mis­

tura de .45% de alumína e .55% de cromo em pó ou ferro­cromo, a temperaturas da ordem de 1300°-•1400°C durante 3 e 4 horas, em atmosfera inerte de hidrogênio. A alu -mínia é adicionada para evitar a aglomeração do pó de cromo,

2) Aquecimento da peça em -uma mistura de óxidp. de cromo, cloreto cromico e alumínio em partículas, a 1000 1300°C.

3) Fusão das peças em moldes revestidos de cromo w ferro-cromo.

4) Cromeação -·deposição eletrolítica de cromo­seguida de aquecimento a aproximadamente 1200°C.

5) Aquecimento da peça a 1000°C em uma atmosfera de cloreto cromico gasoso. A profundidade de penetração é por êste processo da ordem de 0,1mm, para tratamento a 1000°C durante duas horas.

As peças impregnadas de cromo tornam-se também bas­tante resistentes a corrosão.

A impregnação por alumínio - calorização - é feita também por aquecimento das peças em uma mistura de alu­mínio em pó e alumína, sob uma corrente de gás redutor, durante .5 horas a 940°-950°C ou em mistura de alumínio em pó e cloreto de amônio - 1 e .5% - durante aproxima­damente o mesmo tempo, a $40°-920°C, em fornos rotati­vos. Essas temperaturas são para tratamentos de peças de aço. Ele pode ser executado também sôbre o cobre e o latão a temperatura indicada sendo de '700 a 800°C.

Pode se fazer o tratamento, também por imersãó das peças em alumínio fundido.

O teor de Al na superfície da peça pode ser até da ordem de 25%. Se êsse teor é mais elevado, a superfície da peça torna-se quebradiça, podendo se destacar fàcil­men te.

O material tratado apresenta grande resistência à oxidação a temperatura da ordem de '750°C resistindo ra-

73

soàvelmen te até 900°C. Apresenta também ·boa resistência a ação dos gases

sulfurosos. Para a impregnação por silício também são emprega­

dos métodos semelhantes: imersão da peça em uma mistura capaz de cedê-lo - carboneto de silício ou ferro-silí­cio com óxido de ferro - sob uma atmosfera, desta vez ativa, de cloro, seguida de um aquecimento, a tempera­tura variando segundo os autores entre 700°C e 900°-10000C.

O tratamento é feito em peças de ferro e aço, em fornos rotativos, o cloro sendo adicionado samente após te:ç- sido atingida a temperatura, caso contrário haverá corrosão das peças.

O material torna-se resistente ao ataque pelos áci­dos nítrico, súlfurico e clorídrico, e também a oxida­ção até temperaturas da ordem de 850°C, a resistência ao desgaste também sendo aumentada.

A espessura da camada obtida pode atingir até 2,5mm,

em ~lias horas sendo obtidas espessuras até da ordem de O ,.5mm,

O teor de carbono tem in fluência; ês te elemento re­duz a velocidade de impregnação. O teor de enxofre, tem influência na resistência a corrosão.

Os processos de oxidação consistem em criar uma ca­mada oxidada na superfície da peça, que toma uma colo­ração es.cura ou azulada, que dificulte a sua posterior oxidação pelos agentes atmosféricos,

Os óxidos formados naturalmente são porosos e per­mitem assim o prosseguimento do ataque por oxidação, As camadas oxidadas artificialmente, são de Fes04 , mais uniformes e resistentes.

Podem ser cita dos os seguintes tratamentos: a) imersão da peça em uma mistura fundida contendo

95% de nitrato de sódio e .5% de bióxido de manganês (em pêso) até ser obtida uma côr escura. · É recomendado também uma mistura com sÕmen te 2% de bióxido de manganês de mistura com nitrato de sódio e potássio, ou só nitrato de sódio, A temperatura varia entre 300-500°C.

b) imersão da peça na seguinte mistura aquecida: hidróxido de sódio 36 partes

74 óxido de chumbo cianeto de sódio água

'7 partes 2" partes

50 partes acetato de chumbo 2 partes álcool metílico 1 parte

c) A seguinte fórmula também dá bons resultados:

água hidróxido de sódio cianeto de potássio li targi rio

10 litros 8 litros 0~2 kilos 0,2 kilos

Usar a solução a quente. Ferver a peça durante 1/2 a 1 hora,

d) Aquecer a peça em uma atmosfera redutora após mergulhá-la em óleo.

e) Uma solução de 40% de Hidróxido de Sódio conten­do 5% de nitrito de sódio e 5% de nitrito de Potássio a quente - 120 - :1,40°C.

Com exceção do tratamento d), ·após a retirada da peça do banho, ela deve ser mergulhada em óleo.

f) Processo Bower~Barff. As peças a serem oxidadas são aquecidas a 650°C em camaras onde há circulação de ar carregado com vapor de água super aquecido ou uma mistura de vapor d'água e benzenoo O tempo de tratamen­to é de 3 horas. A seguir as peças são mergulhadas em óleo de linhaça aquecido a 150°C.

Para proteção contra a corrosão é empregado também o processo de fosfatização, denominado Par~uerização, a camada protetora sendo formada por fosfatos insolúveis, provenientes de reações que ocorrem durante o trata­mento.

São empregados pará esse fim fosfatos de ferro, manganês.ou zinco em soluções dihddas de ácido fosfo­r~co.

Uma modificação dêsse processo é denominada de Bon­derização: con~iste a modificação na ~dição de sa~s de cobre para acelerar a operação.

***

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***

76

PARTE 111

TRATAMENTO T!:RM I CO DOS FERROS. fUNDI DOS

I NIRODUCÃO:

O ferro fundido pode ser comparado aos aços, em seu comportamento aos tr.atamentos térmicos. No entr.etanto, devem ser consideradas as seguintes diferenças:

a) a existência de grafita lamelar nos ferros fun­didos cinzentos, Plancha XII. 'Sabe-se que sua forma e. distribuição têm uma influência marcante nas proprieda­des do ferro fundi do:

b) um teor relativamente alto de silício que faz elevar·a temperatura de austenitização .

. Este elemento é um forte grafitizante. Nos ferros fundidos em que o seu teor fôr elevado, sem outros ele­mentos de liga, que facilitem a formação de carbonetos, durante o aquecimento para o tratamen·to térmico, pode haver grafitização completa;

c) existência de elevado teor de fósforo, com o aparecimento do eutétic0, denominado steadita, que pode ser visto na plancha XII.

DIAGRAMA FERRO CARBONO SIL1CIO

Para que sejam melhor compreendidos .O$ t.ratamentos· térmicos dos ferros fundidos, é necessário conhecer o seu diagrama,

Essas ligas devem ser consideradas como ternar1as -ferros fundidos comuns ou sem liga .:.-devido à grande influência do silício,

Para facilidade de estudo dêste diagrama espacial, são feitos cortes de diagrama apresentando' certas quàn·­tidades de silício como os estudados por Greiner, Marsp e Stoughton - figura 58, contendo 2 e .4% de silício, representando o equilíbrio metaestável, sem considerar o fenômeno de grafitiiação,

Observe-se que a linha de transformação austenita­perlita se eleva com o aumento de silício e a existên­cia agora de uma faixa de coesistência austenita-fer-

Ferro fundido cinzento, fundo hiper eutetóide - steadita, cementita, perlita e veios de grafita - ataque- reativo de ácido pícrico. 250 X.

77

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PORCENrAGEM .])E CARBONO

Fig •. 58

78 rita-cementita. O eutet6ide ocorre para teores de car­

·bono mais ·baixos, aproximadamente 0;.58 e 0,.45% C, e à temperaturas mais elevadas '760° e 850° C, respectiva­mente para 2 e .4% de silício.

O diagrama estável ferro-carbono-silício, para 2% de silício, quando há formação de .grafita pode ser vis­to na figura .59, e é devida a Boyles.

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.DIAGRAMA GSQtiE/11/ATICO .DO GQU/~I.B~O GSrAVEJ.. :PAS LICAS Fe- C- .S/ COM 2% .ZJE .S/

.Figc ,59 Este mesmo autor afirma ainda que sem os· elementos

manganês, enxô fre e fósforo, as ligas ferro- carbono~ si~ lício, apresentam=se sempre sob a forma de ferrita e grafita, mas corno nos ferros fundidos comuns, êsses e~ lementos sempre estão presentes, essas influências não serão levadas em conta em nosso estudo.

OS TRAT.A.MENTOS TÉRMICOS

.Esses tratamentos podem ·ser classificados da s~

guin te mane~ra: a) envelhecimento artificial ou alívio de tensões:

· b) r eco zimen to: c) têmpera e re:veni do, I ~ Alivio de TensÕE;s: os. fabricante$~_de m4quinas,

desde há mui.to tempo tinham observado que as peças fun­didas e usinadas em seguida, se deformavam com o correr

79 do tempo. Para evitar .êsses inconvenientes, as peças ap6s a fundição eram largadas ao relento por um longo período - semanas ou mesmo alguns meses - antes de se­rem usinadas.O processo é conhecido por envelhecimento"

.Essas deformações são causadas por tensões internas, que ap6s longo tempo, à temperatura ambiente, são ali­viadas devido às deformações permanentes nos pontos de concentração dos esforços.

CAUSA DAS TENSÕES INTERNAS- Durant~ o esfriamento e solidificação dos ferros fundidos, ocor·rem variações de volume - contrações e expansões, como é representado na figura 60o

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E·f:- Confraçâo devido à d,-minu­. içao de lem~rcrl-vra

F·G- Êx par;sóo devido à mudonço dq esleculifa kntdtria à -formq b,n&ria.

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..fc.,.,.,qc.âo ela avslen/k en-?

perhla e da fqse Yà rZ I·J- Ccmlroçõo ntlida oco~r;-

.Figo 60

clo duVOti?Jí!' a e.strt'rqmey;/o o/e' b Jempero/u,q QWibi'eJ?IP

Durante o esfriamento o gradiente de temperatura varia segundo a espessura da secção considerada,

Nas peças finas é pr~ticamente uniforme a tempera­tura em tôda a secção: nas peças grossas ou de secções variadas, durante a solidificação existe grandes dife­renças de temperaturas de ponto Jlara ponto; enquanto umas partes ainda estão no estado~IíqúidQ,:oútras estão já s6lidas; quando as primeiras começam a se contrair, no estado s6lido, encontram contornos rijos que não

80 permitem os movimentos. Quàndo uma parte sólida está em contração, outra pode estar em expansão, As tensões que ocorrem podem causar o aparecimento de trincas, sendo assim aliv~adas, ou podem permanecer nas peças. Quando permanecem nas peças causam a deformação das mesmas com o tempoc

'RECOZIMENTO PARA ALÍVIO DAS TENSÕES

É o processo pelo qual é reduzida a tensão interna em uma peça fundida, soldada ou temperada, aquecendo-a a uma certa temperatura abaixo da zona crítica-tempera­tura de transfo-rmação eutetóide - e mantendo-a por um certo tempo a essa temperatura, e esfriando-a a seguir lentamente.

Nas peças fundidas comuns, o alívio de tensão inteb na é feito na faixa de temperaturis de 470° a .5~0°C , durante o. espaço de tempo de vinte ·minutos por centíme­tro _d-e espessura, sendo a seguir, esfriadas no forno.

Para peças fundidas com ligas,· a temperatura pode ser elevada até 650° C.

INFLUENCIA DA TEMPERATURA

O aumento de temperatura, abaixando o limite de elasticidade, permite à tensão in terna deformar o metal plàsticamente. O gráfico da figura 61, mostra a porcen­tagem de tensãc. removida a diferentes temperaturas. Es­ta afeta as propriedades mecânicas como mostra a figura 62. Observa-se que o limite de proporcionalidade caí ràpidamente até 800°C, continuando constan.te até .500°C, quando inicia outra ·queda acentuada.

As temperaêuras de alívio de tensão variam, portan­to, de .470° a 570°C, faixa de início da queda rápida do limite de proporcionalidade.

Para evitar a queda demasiada da resistência mecâ-nica provocada pela grafitização nos ferros fundidos dei

alto teor de sil~cio, é a~onselhável trabalhar l tempe­raturas mais ·baixas possíveis, Os ferros fundidos com baixo teor de silício, ou com alto teor de silício e com elementos estabilizantes dos carboneto.s,.podem ser tratados à temperaturas ma1s elevadas, sem receio de grafiúzação, figuras 68 e q4.

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Figo 61

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Figo 62

82

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Fig. 63

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EFEITO .z;o 4QVêCIMêNTO POR. Sooh NA .PUREZA OO..S MESMOS FER/20$ .DA FIGURA 6.:5

_Fig. 64

83

RECOZIMENTO

O têrmo recozimento é muito genérico, e é usado pa­ra os tratamentos térmicos que induzem amolecimento e melhoria de usinabilidade. Sob essa designação compre­endemos os seguintes tratamentos:

a) alivio de tensões (já estudado); b) remoção de gases dissolvidos: c) recozimento pr~priamente dito: d) grafitização e maleabilização. O tratament~ para remoção dos gases é feito à tem­

pera tu r as sim i 1 ares às de alívio de tensão, geralmente abaixo de -55o%C.

O tratamento de grafitização e maleabilização será visto em detalhe adiante, sob o título: Maleabilização do Ferro .Fundido.

A finalidade do recozimento é tornar a peça mais u­sinável, por questões econômicas, no entanto deve ser feito com muito cuidado, para evitar a queda dem&siada das propriedades mecânicas.

A figura 65,. mostra a variação. das propriedades me­cânicas de um ferro fundido com as temperaturas de re­cozimento·. Para temperaturas acima de 650° C, .-e·stas caem ràpidamente,

A di~iculdade de usinagem é muitas vêzes ocasionada pela presença de áreas de cementita, Estas s~mente po­dem ser eliminadas pela grafitização que se processa com relativa facilidade à temperaturas acima de 930°C, sendo necessária para certas composições até 980°C.

As propriedades mecânicas do ferro fundido comum recozido a· uma temp.eratura acima--da de austenitização, sem apresent~r áreas de cementita,di~endem muito mais da velocidade de resfriamento que de sua composição, com6 mostra Témmins.

Observa-se na fi.gura 66., que a diferença dos teo­res de silício, 1JS% e 2_,.4%, afetam muito pouco a dure­za da peça, principalment~ para maiores velocidades do esfriamento •

. É perfeitamente compreensível que as propriedades obtidas com o .tratamento a 700° C sejam inferiores, pois a temperatura do tratamentq foi apena-s a suficien­te para grafitizar ou coalescer a cementita, aumentando

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Fig· ag

85 a porcentagem de ferrita e grafita em detrimento da per li ta,

O recozimento à temperaturas abaixo da temperatura crítica é desaconselh~vel quando se deseja sàrnen te me­lhorar a usinabilidade, sem levar em conta o abaixamen­to da resistência. ao desgaste.

~

TEMPERA E REVENIDO

As peças de ferro fundido são temperadas para que tenham aumentadas a sua resistência mecânica e resis­tência ao desgaste. O revenido é feito com a finalidade de aliviar as tensões internas e aumentar a tenacidade após· a têmpera.

A têmpera consiste no resfriamento brusco da peça de urna temperatura acima da de austeni.ti zação.

O revenido consiste no aquecimento da peça tempera­da à temperaturas abaixo da dessa.transforrnação.

Para compreensão da têmpera de um ferro fundido, deve ser reco~dado o diagrama de equilíbrio ferro-car­bono. Tratando-se de um ferro fundido cinzento, a tirn­pera se processará corno em um aço, cont·endo veios de grafita e inclusões de steadita.

ESTRUTURA DOS FERROS FUNDIDOS TEMPERADOS E TEMPERADOS REVENIDOS

'Corno é de se esperar, a estrutura de um ferro fun­dido consiste em urna matriz rnartensítica entrecortada por veios de grafita e com áreas de steadita.

Nos ferros fundidos temperados e revenidos, a ma­triz rnartensítica se transforma em sorbi ta.

EFEITO DA TEMPERA WRA SOBRE A TEMPERA

O esfriamento. rápido após aquecimentos à temperatu­ras inferiores à de austenitização, não aumenta a du­reza, ao contrário, quanto maior a temperatura, menor a dureza.

Para temperaturas acima da de austenitização, há aumento de dureza, sendo esta tanto maior, quanto mais elevada a ternperatura.As temperaturas geralmente usadas estão compreendidas entre 800° e 87Q°C.

86 EXEaJÇÃO 00 TRATAMENTO

A têmpera é geralmente feita em óleo, podendo no entanto, ser feita no ar para certos tipos de ferro fundido com alto teor de liga.

As peças devem ser des.bastadas antes do tratamento, devido ao aumento de dureza que prejudica a usinagem, Deve ser lembrado que durante o tratamento pode ocorrer

·também o crescimento das peças. Devem ser tomados cuidados especiais ao temperar as

peças, de formatos irregulares, para evitar o apareci­mento de trincas<

PROPRIEDADES DAS PEÇAS TEMPERADAS E REVENIDAS

O efeito dêsses tratamentos, devidamente executados são os seguintes em relação· à peça como· fundida:

a) maior dureza: ·b) maior resistência à tração; c) aproximadamente apresenta a mesma resist~ncia à

flexão: d) menor resistência ao impacto: e) ma~or resistência ao desgaste.

TEMPERAS ISOTÉRMICAS

O ferro fundido também pode ser submetido a trata­mentos de austêmpera semelhante aos aços.

Esse tratamento consiste em aquecer as peças à tem­peraturas entre 800 e 870°C e esfriar em um meio de têmpera mantido na faixa de temperaturas de 200 a 400°G

As peças adquirem, além de eleva.da dureza, de 250 a _400 Brinell, boa resiliência, sendo menor .a possibili.,. dade de aparecimento de trincas,

As experiências mostraram que as peças submetidas ao tratamen-to isotérmico_, possuem melhor resistência ao desgaste que as peças temperadas e revenÍdas de mesma dureza.

Esse tratamento é muito indicado para engrenagens, cilindros, anéis, etc. ,

:Como no caso dos aços, os ferros fundidos com ele­mentos de liga são mais fàcilmente tratados que os sem

87 liga - as curvas em S, estio mais deslocadas para a di­rei ta.

TEMPERA SUPERFICIAL

Os ferros fundidos podem também ser ·temperados su­perficialmente, séndo empregado-s. parâ êsse fim, o aque­cimento por indução ou a chama.

MALEABILIZAÇÃO

INTRODUÇÃO

Os ferros fundidos brancos possuem como constituin­tes, cementita e perlita, a distribuição e quantidade dêsses constituintes depen.dendo do teor de carbono, is­to é, se o ferro :fundido é hipoeutético, eutético ou hiper-eutético, e são duros e pouco resilientes. Se o teor de fósforo f8r apreciivel, apresenta ireas ~~ fos­fetos ternirios - fosfeto de ferro, ferro e carboneto de ferro.

·Como a maioria dos produtos siderúrgicos exigem certa ductibilidade e usinabilidade, os ferros fundidos brancos têm campo restrito de aplicação"

Ao recozimento para dar ductilidade e usinabilidade a êsses ferros, denomina-se maleabilização, e ao produ­to siderúrgico obtido, denomina-se ferro fundido maZ.eá­vel.

PROCESSOS DE MALEABILIZAÇÃO

Dois são os processos usados para a maleabilização dos ferros fundidos ·br.ancos:

a) por descarbonetação: b) por grafitização. O produto obtido pelo primeiro processo é designado

ferro fundido maleável de núcleo branco ou ferro fundi­do maleáve( europeu,por ter sido o processo desenvolvi­do inicialmente na Europa. (1).

1. O processo foi desenvolvido por R.A> Ferchoult de Reamur em 1'722. Antes de Reamu.r, algumas patentes já haviam sido tiradas a respeito do assunto.

88 A designação núcleo branco, provém do aspecto metá­

lico claro da fratura. Do segundo processo de maleabilização, resulta o

produto conhecido pela designação de ferro fundido ma­leável de núcleo preto ou ferro fundido maleável ameri­

'cano, A primeira denominação provém do aspecto da fra­tura que, devido ~ presença de grande quantidade de grafita, apresen ta• se preta, Esse processo apareceu nos Estados UnidosC;r) quando os pioneiros fundidores de ma-leável, sem conhecimento exato da técnica européia, tentaram maleabilizar o ferro fundido ·branco e fizeram o recozimento sem envolvê-lo com os elementos descarbo­netantes. Devido ao desconhecimento da técnica européia e p..ara felicidade dos experimentadores, a composição química descontrolada possibilitou a grafitização do ferro fundido ·branco e, par·a surprêsa dos fundidores, o produto apesar da fratura preta, apresentava excelentes propriedades mecânicas e de usinagem,

Hoje, nos .Estados Unidos, por vantagens econom~cas somente é produzido o ferro maleável de núcleo preto, Na Europa, assim como no Brasil, existem fundições pro­duzindo os dois tipos.

INFLUtNCIA DA aJMPOSIÇÃO QUÍMICA

O primeiro passo para obtenção do ferro fundido ma­leável é o vasamento das peças em ferro fundido branco • . Esta estr.utura depende da composição química e da velo­cidade do resfriamento-

-Na Plancha XIII é visto o aspecto micrográfico de um ferro fundido :branco hipo-eutético.

O diagrama de Maurer ~ figura 6'7, apesar de não ser bastante exato, nos dá uma idéia razoável da influência do silício e do ·carbono sôbre a constituição metalográ­fi ca do ferro fundido.

O estudo foi feito sôbre corpos de prova de 30 mi­límetros de diâmetro, fundidos em are~a, e para ligas contendo menos de €J, 6% de fósforo e entre 0,.5 e 1% de manganês.

Observa~se que a zona de ferro fundido branco está limijtada por uma reta que passa pelos pontos: , __ 4~ 3% C,

1. Desenvolvido principalmente por Seth Boyden em 18·26·

Ferro fundido branco hipoeutético, perlita cementita e ledeburita - ataque -reativo de ácido nítrico. 100 X.

o% Si e 1% C, 2% Si.

5 r---,---~----~--,----,----~--~

3

2

1 o~---,~--~z~~-3~---~~---3~~--~6----~7 PORC&N74tiGM DE ..S'IJ..Ié/lJ

c- CEMEN7"i'TI4 a- t;;;-KÃFirA

Figc 6'7

;:-.,. - F.G"RRJrA P- P&RIJT4

89

Dos autos elementos que em geral aparecem nas li­gas temos:

MANGANES- Normalmente é adicionado ao ferro fundi. do maleável para contrabalançar o efeito do enxôfre, estabilizador de carbonetos.

A reação é a seguinte:

Mn -:- S F e;;;;;:: Mn S + F e (1)

.Em proporções estequeométricas:

Mn .55

s 32

Isto é, teoricamente, necessitam-se 1.,'72 vêzes o teor de enxôfre em manganês, para a neutralização. Na prática, os fundidores adotam valores·tais como:

1/'72 X% S + 0,2%

2 x % S, etc.

Não deve ser exagerado o excesso de manganês porque êste é também um estabilizador de carbonetos e dificul­tará o r~cozimento.

ENXOFRE -.Em proporções até O, 15% devidamente neu-

90

tralizado pelo manganês,o enxôfre não tem grande influ­ência sôbre as propriedades mecânicas e sôbre o proces­so de grafitização. As inclusões de sulfeto de manganês apesar de não serem ·benéficas, estão em proporções tão pequenas que o seu efeito é mascarado pelo efeito de outras inclusões maiores.

FOSFORO.:- A grafi tização é pouco influenciada pelos teores normais de fósforo; no entretanto, o teor de fósforo deve ser baixo para evitar a diminuição de r~ sistência ao choque.

CROMO - Para ser conseguida a grafitização em tempo razoàvelmente curto, o teor de cromo e outros elementos estabilizadores de carbonetos devem ser mínimos possí­veis. Teores acima de 0"2% de cromo nã.o permitem recozi­mento, em ciclos de tempo aplicáveis comercÍalmente.

FERRO FUNDIDO MALEÁVEL DE NÚCLEO BRANCO

O ferro fundido maleável ·tipo europeu, é maleabili­zado principalmente por descarbonetação,

o carbono de ferro fundido é oxidado a co pelo co2 envolvente; por sua vez o co é oxidado a co2 pelo ele~ mente oxidante envolvente, geralmente minério de ferro.

O equil:íbrio entre o ferro, o carbono e o oxigênio, foi intensamente estudado por Schenk na Alemanha e Mat= sub ara no Japão.

Os estudos dêsses pesquisadores lançaram luz ·sôbre o fenômeno, até então tão mal conhecido, da descarbone­tação.

O gráfico da figura 68, é ·baseado no resultado dos estudos de Schenk e seus colaboradores e nos dá uma vi­são clara de como o ferro pode se oxidar ou descarbone­tar.

A curva IV limita a zona de redução do Fe3 0 4 a Fe O, ou seja, o pr~me~ro estágio da redução do minério de ferro.

A curva II mostra o equilíbrio CO, C02 e C - curva de Boudouard (1) em função da temperatura. Existindo carbono suficiente, o equilíbrio se dará, a cada tempe­ratura, num ponto dessa curva. Se houver excesso de aJ, êste se precipitará sob forma de C finamen te pul veri sa­da. Havendo excesso de aJ2 êste reagirá com o C presen-1. Esta curva também é conhecida pelos nomes de Chaudron ou de

Bell.

91

-PORCG/YTAGEM :PECO

.:DIAGRAMA 0)(/.}'.).4Ç"JÔ-JeEl>VÇAÕ C-~e-- O

.Fig. 68 te dando CfJ até atingir o ponto de equil:fbrio.

A curva (I) indica o equilíbrio CfJ/C0 2 em presença de Fe. Observa~se que a curva (I) está sempre à esquer­da da curva (li). À esquerda da curva (I) a fase sólida ·será sempre Fe 3 C segundo a reação:

3 Fe"'"' 2 CXJ:;;;::=:Fe3 C + CfJ2 '(2) Entre as curvas (I) e (li} haverá descarbonetação

do ferro: Fes C+ CfJ2 -::::;;::z CfJ + 3 Fe '(3)

seguida da oxidação do monóxido com libertação de car­·bono

(4) e grafitização, portanto do ca:r:bono.

À direita da.curva (II), teremos sempre descarbone­tação.

A curva (III) limita a estabilidade do Fe; à direi­ta inicia-se a sua oxidação,

As curvas 0,05%C, 0 1 1%C. O, s%C, e 0,.5%', indicam os

92

pontos de equilíbrio das ligas Fe-C com êsses ·teores de carbono.

Vemos, portanto, que a maleabili zação por descarbo­netação de uma liga ferro carbono, pode se fazer ·sim­plesmente controlando a atmosfera (relação CO!COz) .e temperatura. O equilíbrio será indicado pelo gráfico.

COMPOSICÃO DO FERRO JIW.EÁVEL DE NÚCLEO BRANCO

A peça é fundida com composição, variando na faixl'i.:

c - 2J - 3~ 5 Si - 0.,4- 0,9 Mn - 0,2 - 0,6 s - 0,10- 0;45 p - 0,15

em porcentagem

RECOZIMEl\lTO

As peças fundidas são colocadas em potes hermeti­camente fechados em c_onjunto com um oxidante, geralmen­te minério de ferro, e submetido ao ciclo de recozimen­to.

O recozimento se processa em· temperaturas variando de 950 a 1000°; sendo mantida esta temperatura por 80 a 100 horas ou mais conforme a espessura da peça; alguns ciclos estão indicados na figura 69,

~-r· i ' I I .' ~í

I

~~ "f"'.-"' JJ 1""-"""

........

' f! ' ' " I \ \ \

V'l ' i i i

,_ '3Z ,v;. 1\

CICLOS DE REcO:Z!MEN'f"' P4RA OBTG~Õ ..ZJE t:GRnOS MAI..EA VEIS DE NdCi.EO ..B/ô4NCO

Fig. 69

93

CARACTERÍSTICAS DO FERRO FUNDIDO MALEÁVEL BRANCO

Microgràficarnente, as secções de pequenas espessuras apresentarn~se completamente ferríticas. Nas secções maiores, acima de 10mm, o núcleo geralmente apresenta nódulos de grafi,ta, e em seus con tôrnos, áreas de fer­ri ta envolvidas por perli ta. Os n'-Í}dt;rlos de grafita dos ferros fundidos rnaleáveis brancos são, em J;·egra geral, mais compactos e arredondados que os dos rnaleáveis de núcleo preto, Plancha XIV.

A resistên·cia mecânica dos ·branco são da ordem de 38 a .45 kg garnen to da ordem de 4 a 12%o

rnaleáveis de núcleo 2

por rnrn e o seu alon-

A dureza Brinell varia na superfície de 140 a 170 e no núcleo chega até 200 BrinelL

Devido à grande variação de estrutura da superfície para o núcleo, de ferrítica na ·superfície, para urna es­trutura apresentando ferrita e perlita no núcleo, ao se determinar as características do ferro rnaleável de nú­cleo ·branco, deve-se especificar o diâmetro do corpo de prova, corno mostram a DIN - 1692, a British Standard 309.1o947- e a ABNT- Ante-Projeto de especificação, PEB 127.

DIN - 1692 - -~-·

,! :1 ~~ i

Espessura Limite de 1Limite de - ~.)Alonga-Designação da secção Diâmetro do escoamento resistência! mento

I DIN represen- CP mínimo mínima em 3d

I ( d) 2 2

% 17006 tativa da (kg/mm ) (kgjmm )

peça.(mm) (mm)

4 - 9 9 - <H 6 GTW- 35 9 - 13 12 - 35 4

13 - 18 15 - 36 3 18 - 40 18 - 36 3

4 - 9 9 21 38 10

GTW- 40 9 - 13 12.;' 22 _40 .5

13 - 18 15 22 41 3 18 - .40 18 22 .41 3

94 British Standard - 309.1.947

' !Espessura ' - I I

da ÍD~âmetro, Limite ~1 ~

Grau i secção repre- ' do 1

r~ si s-tênl Alongamento I i I sentativa ( mm) CP c~ a. I

i (pol) 2

I (kg/mm ) i

i maior I

que 7y94 o~ 56.4 34~65 I .4% em 2~0"

1 4~96 a 7~94 o) 357 31,.50

i 6% em 1, 25'·'

menor que .4 ... 76 o, 252 31;-50 6% em 1, O"

maio r que 7,94 0,.564 37,80 ! 8% em 2, O'·'

2 .4~ 76· a 7; 94! O, 357 $4,65 110% em 1, 25''

menor que .4J76 I o ... 252 $4;65 12% em 1, O"

ABNT ~ An te-Proj c to PEB - 127

Espessura r e- Limite d~~ Limite Alongamento l TIPO presentativa resistên- de esc~ em 3,.5 D

I ABNT ~-·( mm) c i a míni -~ a~e~ to mínimo --- % mo m~n~mo

I 2 2 (kg/mm) (kgjmm)

MB - I até 8,0 32 17 6

maior 8,0 I 35 19 4

IlMB -II até 8,0 35

I 19 10

maior 8;0 38 20 8 -

FERRO FUNDIDO MALEÁVEL DE NÚCLEO PRETO

O ferro fundido maleável de núcleo preto é obtido pela grafitização de um ferro branco.

Duas teorias explicam a formação da grafita: 1) À temperatura de recozimento ocorre a decomposi­

ção da cementita em ferro gama e grafita que se preci-· pita em nódulos. Depois de uma ce.rta permanência a essa temperatura, tôda a cemen ti ta já se decompos e pode ser inicia do o res f ri amen to.

Com o resfriamento da austenita começa a se preci­pitar cementita (veja diagrama Fe- C figura 70) que também se decompõe da m an eira já citada, e o pro cesso continua até atingirmos a temperatura de 700° C, onde a

Ferro fundido maleável - ferrita, perlita, grafita, em nódulos arredondados - ataque -reativo de ácido pícrico. 200 X.

95

austenita remanescente se transforma em perlita.A queda da temperatura é,nessa região, de .5° a 10° C, por hora.

Sendo mantida à temperatura de '700°C, durante algum tempo, a cementida formada na temperatura eutetóide vai se decompôr também •

. Esfriado, o material apresenta, à temperatura ambi­ente,como constituintes a ferrita e nódulos de grafita: junto à superfície que sofre uma oxidação,perdendo car­bono e silício,existe uma área constituída só de ferri­ta e um pouco mais profundamente uma camada de ferrita e perlita cuja cementita não se decompos, pois não há condiç&es propícias devido ao baixo teor de carbono e silícioo Essa camada de perlita, se é muito superficial, pode dificultar a usinagem das peças.

Essa textura é denominada "picture frame''. 2) Esta parece ser a teoria mais exata. Da austenita começa a se precipitar diretamente,

grafita, pois como podemos ver na figura '70, a max~ma solubilidade de grafita no ferro gama é menor que a de carboneto de ferro.

/2CO .-----.-----~~---.----~

/100 ~ o

~ /000

~ ~ !}o o

~ ~ Boo

~ R

?'o o o ~.5 1,0 1,5 ::/,0

P'.O.Rc.E'NTAGEM :DE CARBONO

.Fig.'i'O Precipitada uma parte do carbono sob a forma de

gra:fi ta, a austeni ta absorve carbono da cementi ta, ten-

96 tando restabelecer o equilíbrio a essa temperatura, e o ciclo se repete até que tôda a cementita tenha desapa­recido, desde que se mantenha a temperatura pelo tempo necessário. Pode ser iniciado, então, o resfriamento.

Com a queda da temperatura, continua a precipitação da grafita da austeni ta, até à temperatura de 700°C. Deixando-se o material algum tempo a essa temperatura, a austenita que ia formar a perlita, também se decompõe em ferri ta e grafita.

A diferença entre as duas teorias é que a primeira diz que há formação sempre de cementita antes da decom­pos1çao, e a segunda diz que há formação direta de gra­fita a partir da austenita.

A composição do ferro deve ser tal que, durante a solidificação não permita a libertação de grafita pri­mária. Deve, no entanto, ter uma porção razoável de e­lementos grafitizantes .para se obter a precipitação da grafita, em tempo relativamente curto, durante o reco­zimento.

O elemento utilisado normalmente como grafitizante é o silício, A sua influência sôbre o tempo necessário para grafitização foi estudada por Kikuta, figura '7i.

30

/0 3 8 '7 tS 5

#

Figo '71

97 O gráfico em questão mostra o tempo necessário para

atingir o equilíbrio de grafitisação à temperatura de 925° C para ferros fundidos, de teor de carbono da or­dem de 2.,_45% em função dos seus teores de silício.·

A figura 72, mostra o trabalho de Whi te e de Sch­n ei dewirid- que~de texmina:-o '; te!Ilpo:.necessário_ para:::coiilple­ta grafitização, à temperatura de 71'7° ·c, para ferros fundidos com teores variáveis de silício.

Deve ser observado que a representação das horas no gráfico citado é logarítmica: portanto, pequenas varia­ções de silício afetam sensivelmente o tempo necessário para atingir à grafitização completa e é vantagem uma composição com teor de. silício o mais elevado possível desde que não produza grafita primá ri a. O teor relativa­mente alto de silício, nos ferros maleáveis americanos, fazem com que êste tenha resistência relativamente alta comparada com o aço doce; assim,um aço extra doce reco­zido - teor abaixo de 0,1% C- tem resistência da ordem de 85 kg por mm

2, enquanto que os maleáveis tipo ameri­

cano têm resistência de 8'7 a 40,kg por mm2

, apesar de seu fundo ferrítico. Devem esta melhoria ao silício dissolvido na ferrita que aumenta a sua resistência. (1).

A dureza dos ferros fundidos maleáveis de núcleo preto varia de 110 a 145 Brinell.

COMPOSIÇÃO DO FERRO MALEÁVEL DE J.\!ÚCLEO PRETO

A composição do maleável de núcleo preto varia den­tro da seguinte faixa: carbono: 2 a 3,.5%: silício 0,7 a 1,'7%: manganês O, 3 a 0,6%: enxôfre máximo O, 25%: fósfo­ro máximo 0,20%.

RECOZIMENTO-

As peças fundidas são colocadas em potes hermetica­mente fechados com material granulado inerte~ geralmen­te pedregulho fino com arei a, ou em se tratando de· for­nos de atmosfera controlada simplesmente em caixas fu-

1o O limite de resistência de um aço de baixo carbono - com 0,1% C é da o:rdem de 35 kgjmm2 e com a adição de 1% de Si o seu va­lor sobe para 48 kg/mm2 e com 2% a.53 kg/mm2.

98

Fig. 72

radas, sendo o conjunto aquecido em um ciclo de-malea­bilizaçio constituído de dois estãgios de temperaturas. O primeiro para a grafitizaçio da cementita primãria e no segundo estãgio para a precipitaçio da cementita da perlita. Alguns exemplos dêsse ciclo de maleabilizaçio sio indicados na figura 73.

Estudos baseados no conhecimento do fen8meno da grafitizaçio conseguiram encurtar êsse ciclo de malea­bilizaçio para at~ 30 horas: um dêsses ciclos b inaiaa­do p e l a fi gu r a 7 4,

Observe-se que a temperatura do primeiro esLãgio do ciclo rápido ~mais elevada, assim como o resfriamento dessa temperatura para o início do segundo estágio foi encurtado para apenas cinco horas, e o esfriamento após o t~rmino da maleabili zaçio ~ feito em algumas horas.

ESTRUTURA DO FERRO MAI..E.Á.VEL DE NÚCLEO PRETO

O maleável de núcleo. rreto apresenta, normalmente, uma pequena descarbonetação superficial, o restante sendo constituído de ferrita com nódulos de grafita.

Pl ancha XV.

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Ferro fundido maleável - ferrita e nódulos de grafita - ataque -reativo de ácido nítrico. 500 X.

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99

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I l O 12 .2~ .36 48 60 7.2 EN 3& !08 IZO 1.32 1~1, 15& IEB

T~PO EM ijOR"'/S / CICLO DO REce;.SIMG"NTO - MAt..EAVGI.S JOG NVCt.êO PRETO

Fig, '73

o 5 /0 15 20 2.5 .30 "7"'6"MPO EM HORAS

, -CIC/...0 l<-'4PID0 DE MAI-EABI.t../ZAÇAO- MA!..EAVEI... AMERICANO

Fig. '74

100

PROPRIEDADES MECANICAS

As propriedades mecânicas especificadas para o fer­ro fundido maleável de núcleo preto são as seguintes:

AS1M- A.47 e SAE Automotive Malleable Iron Castings

Propr iedacte s grau 32510 grau 35018

Limite de resistência (psi)

Limite de escoamento (psi)

Alongamento em 2" (%)

DIN - 1692

-50000 32500

10

53000 35000

18

Propriedades grau GTS- 35 grau GTS- 38

Limite

Limite

de resistência(kg/mm2

) 2

de escoamento (kg/mm )

Alongamento

35

10

ABNT = An te-projeto PEB - 128

38 22

12

Tipo 3510 MF 3718 MF

Limite

Limite

de resistência (kgjmm2

)

2 de escoamento (kg/mm )

A l o n g a m e n t o em 5 D m í n i m·o ( % )

35

22

10

FERRO MALEÁVEL PERLÍTICO

37

~4

18

Pode ser feito um con trôle do teor de carbono com­binado do ferro fundido maleável de núcleo preto, pro­duzindo o material conhecido como ferro fundido maleá­vel perlítico .

. Este contrôle pode ser feito durante o resfriamento no tratamento de maleabilização, ou posteriormente, por meio de um aquecimento que permita a dissolução de par­te da grafita, Um resfriamento mais rápido na faixa de temperatura eutetóide, permite manter o carbono na for­ma combinada,

.Esse material pode sofrer tratamentos térmicos"

101

A têmpera pode ser feita ao ar ou em óleoo A têmpe­ra em óleo produz a dureza mais elevada e urna estrutura mais homogênea,

De acôrdo com a solicitação, as peças podem serre­venidas a várias temperaturas abaixo da zona crítica, Quanto maior fôr a temperatura e maior o tempo do reve­nido, menor a dureza e a resistência do material.

As especificações ASTM e SAE e ABNT têm as seguintes categorias de ferro fundido rnaleável perlítico.

Propriedades

Limite de resistência

nJ.mo ( psi)

Limite de escoamento

nJ.mo (psi}

SAE - STANDARD

ASTM - A - 220

G:3010 48005

m! 60o000 70o000

mí- 43.000 48.000

Alongamento mínimo 2" ( ~) . 10 5 Dureza Brinell 163-207 179-228

ABNT - PEB

Propriedades

grau

53 004

80.000

53.000

4

197-241

- 128

Tipo

4210 MP 5007 MP

Limite de resistência mínimo 42 50 2

(kg/mm ) 2

Limite de escoamento(kgjmm ) 30 35 Alongamento em 5 D min ( ~) lO 7

***

6 003 70002

80.000 9o.ooo

60.000 70.000

3 2

197-241 241-283

5604 MP 6302 MP

56 63

37 50

4 2

102 BIBLIOGRAFIA

1 - Boyles, A1fred ~ The Structure .ofCast Iron - ASM 1947.

2- Ac.F.A. ~Cast Metal..sHandbook- ed, 1944 e 1957. 3 - A,.F,A - Alloy Cast Iron Handbook - 1944. 4 - A, S. M. - Metal s Handbook - 1948. 5 ~ Sisco, .Frank L ~ The Alloys of Iron and :Carbon -

' vo1, II - Properties- 1937, 6 - Ch.iaverini, Vicente~ Tratamentos Térmicos do ferro

fundido - Bol, ABM. n° 2 - vo1. 2 - 1946 -pag, 173,

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ting ~ 193L

***

103

PARTE IV

TRATAMENTOS TtRMICOS DE SOLUBILIZACÃO E PRECIPPTACÃO

. f NTRODUCÃO

Os tratamentos de solubili zação e precipitação fo ~

ram estudados primeiramente para as ligas não ferrosas, e são mais aplicadas a estas, se bem que muitas ligas ferrosas sejam influenciadas por êstes tratamentoscFo­ram descobertos por Wilm em 1911, durante estudos que fazia de uma liga alumínio-magnésio, contendo aproxima­damente I% do segundo elemento.

Observou .ile que essas ligas quando aquecidas a certas temperaturas e resfriadas bruscamente como nos tratamentos de têmpera, não endureciam, mas obseEvou também que com o decorrer do tempo as suas propriedades se modificavam: a dureza e o limite de resistência au­mentavam~ êsse endurecimento sendo rápido logo após o esfriamento e diminuindo de velocidade com o tempo -mas que o alongamento abaixava, mostrando uma diminui­ção da ductilidade.

Havia como que uma têmpera na qual as modificações sofriam um retardamento em seu aparecimento.

A êsse segundo estágio do tratamento denominou~se en velh ecimen to.

Wilm verificou também que o efeito era mais acen tuª do quando adicionava pequenas quantidades de cobre à liga, o que levou ao desenvolvimento da liga denominada duralumínio contendo 4% de cobre, o, 5 de magnésio, o, 5

de manganês e 0,5 de silício. Até o ano de 1919 pensou-se que êsses tratamentos

eram restritos a essas ligas, não havendo explicação para o fenômeno,

Princípios do tratamento

Merica, Waltemberg e Scott, nesse ano, 1919, deram a pr1me1ra explicação do princípio em que se baseava

104

êsse tratamento, até então sem base teórica, com o que êle pôde ser aplicado a numerosas outras ligas.

Esses pesquisadores verificaram que nas figas dura­lumínio a solubilidade sólida do composto intermetàlico, ou melhor, fase intermetálica que se forma e que pode­mos indicar como sendo Cu Al 2 , na fase primária Ci dimi­nuía com a temperatura e desenvolveram então a teoria do envelhecimento.

Consideremos um diagrama teórico de uma liga de dois metais A e B, em que ocorra êsse fenômeno- fig.'7.5 e que seja escolhida uma liga com um teor do elemento B igual a P%, menor que o indicado pelo ponto O, no esta­do líquido, e esfriando lentamente.

Ac ser atingida a temperatura T1 , inicia-se a soli­dificação, que termina a temperatura T2, quando tôda a· massa fica homogênea e constituída de grãos de fase rt.

Com o resfriamento subsequente, ao ser atingida a temperatura T4 ,começa a se precipitar da fase Ci homogê­nea a fase Am.Bn, pois foi atingi,dàc.aalinha<Csaliro:ssque_ dá a maior solubilidade de AmBn em Ci a essa temperatura A liga apresentará à temperatura ambiente duas fases: fase Ci , contendo N% de B e fase AmBn.

Se essa liga fôr aquecida à temperatura T3 - zona de fase Ci homogênea - e deixada a essa temperatura du­rante o tempo suficiente para haver completa homogen:éi­zação - dissolução da fase AmBn, na fase Ci - e a seguir fôr esfriada bruscamente, a fase intermediária AmBn,não tem tempo suficiente para se separar - a fase se forma por nucleação e crescimento - e permanece em solução à temperatura ambientee A liga fica cons.tituída por uma solução sólida supersaturada em equilíbrio instável •

. Esse tratamento é denominado Tratamento de solubi­lização.

As ligas que apresentam um teor do elemento B, su­perior ao indicado pelo ponto O, não podem se~ comple­tamente so lubili zadas •.

No caso das ligas estudadas por Wilm o equilíbrio instável é rompido mesma à temperatura ambiente, a fase intermetálica tende a se precipitar em partículas muito finas, e a liga endurece. É o chamado envelhecimento .

. Em outras ligas é necessário um aquecimento - a temperatura abaixo da linha solvus - para que êsse fe-

105

a:+AmBn

.DIAGRAMA PARCIAL DE VMA LIGA .ZJE' MEú4tS A e 8

Figo 75

nômeno ocorra e o tratamento toma o nome de envelheci­mento ar ti fi c i al ou a melhor denominação: tratamento de precipitação.

Os primeiros estudos indicavam que a maior dureza e resistência eram devidas a precipitação de partículas da fase AmBn e que parecia ocorrer nos planos de escor­regamen to da fase a, o tamanho das partículas formadas tendo influência nas propriedades obtidas. 'Com um certo tamanho crítico era obtida a máxima dureza

Havendo um aquecimento prolongado, ou elevado de­mais, as partículas co al esci am, diminuindo os valores das propriedades, que haviam sido elevados pelo trata­mento ... ~ o chamado ultra-envelhecimento.

O gráfico da fig. 76 dá a representação esquemat1ca da variação da propriedade de dureza com o diâmetro das partículas precipitadas.

Posteriormente, novos estudos levaram a conclusão de que não há necessidade da formação da fase interme­tálica, bastando haver a formação de uma solução sólida restrita, cuja solubilidade diminua com a temperatura: quantô maior a variação da solubilidade,em geral mais fácil é o tratamento de precipitação.

Como exemplo do exposto acima podem ser citadas as ligas de cobre e prata que apresentam essas caracterís-

106

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.0/~E?'"RO ..PA.S P/'IRr/éVL.4.S

/Nr"-VÊ/Vci'A ~e> /.JIIV?ANHO PA:S ,.ART/cuLAS IV.., .Pl/Ri!r~A :Dê VMA L./(.Õ'A TJ/!ATADA

Fig. '76

ticas - grande variação da solubilidade sólida, sem formação da fase intermetálica - fig. '7'7

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.Fig. '7'7

O aumento de dureza observado não é grande - apro-· ximadamen te duas vêzes a dureza observada no estado so­lubilizado, para as ligas com '7 7 5% de cobre, solubili­zadas de '770° c e precipitadas a 300° c.

107

A dureza também aumenta com a quantidade de soluto adicionada, até o máximo de solubilidade na fase primá­ria ao

A teoria da formação da fase precipitada também não explica completamente o fenômeno, pois foram observadas várias anomalias no comportamento de várias ligas sub­metidas a êsses tratamentos térmicos.

O tratamento de precipitação ocasiona modificações em outras propriedades tais corno: condutividade elétri­ca, densidade, propriedades magnéticas, etc", e nem sem­pre na rn esrna direção e de acô r do com o previsto pela teoria da precipitação - figo '78.

TEMPO--

/140.D/.CIC4ÇAÕ :DAS PROPRIEPADGS P~VMA .&.IG'A .[)URAN7'E O TJ?ATAMI:NTO 'Te'RM !CO

' Fíg. '78 A condutividade do duralurnínio assim corno de outras

ligas decresce no início do tratamento, contràriarnente ao que seria de esperar, pois há aumento da resissênciã. elétrica quando há formação de urna solução sólida, au­mento êsse variável com o teor de soluto. Com a preci­pitação, que causa um abaixamento do teor de soluto na solução sólida a , deveria ocorrer um aumento da condu­ti vi da de .

. Em algumas ligas mudanças de estrutura são observa­das ao microscópio, mas não apresenta rnodi1ficações do parâmetro quando observadas ao raio X,

Corno exemplo ternos a liga de alumínio contendo 10% de magnésio solubili zada por longo tempo e precipitada

108 durante horas a 100°C, Mesmo com trinta dias de perma­nência a essa temperatura não apresenta variações nos parâmetros,

A 300° C a precipitação é visível ao microscópio ao fim de uma hora, sendo necess,rias cinco horas para se­rem notadas alterações no parâmetro.

No duraluminio não são observadas alterações até o máximo de dureza; ocorre somente uma modificação de parâmetros a temperatura ambiente, que permanece depois inalterada,

As modificações das propriedades são explicadas ho­je em di a da seguinte manei :r a:

Antes da formação do precipitado há uma certa con­centração em certas regiões, da fàse precipitante­AmBn no exemplo ~ e que permanece em um sistema cristª lino deformado, de transição, entre o seu próprio e o da fase a O precipitado então ainda não está , ,forma­do,

O mesmo fenômeno ocorre na fase a supersaturada, nas zonas de interfaces entre 'as fases - fase a e fase que vai irriciar a precipitação -. Podemos dizer que as duas 'fases apresentam-se com sistemas cristalinos de­formados, idênticos, nas zonas afetadas pelo in~c~o de separação da fase precipi tan te, Diz- se que elas são coerentes nessas regiões .

. Essas distorções dos reticulados criam tensões, que endurecem o material, e que diminuem a condutividade das ligas, quando tratadas,

As ligas não completamente solubili záveis ou solu­·bilizadas, quando tratadas, não apresentam as melhores propriedades,pois os núcleos de fase AmBn não solubili­zados servem como centros de nucleação para esta fase, não permitindo que todo o elemento B em solução, forme a fase de transição, coerente;

Com um aquecimento mais prolongado ou temperatura mais elevada precipita~se completamente a fase precipi­tante desfazendo em grande parte as tensões e a liga começa a ter a sua dureza diminuída: é o ultra envelhe= cimento.

Propriedade das 1 igas tratadas

Terminado o tratamento" a liga, sendo mantida a

109 temperatura ambiente ou abaixo de um certo limite, não perde as propriedades adquiridas.

Se fôr aquecida a temperaturas acima da de trata­mento, durante certo tempo, perde em parte suas propri­edade~,mas com um tratamento mais prolongado, depen -dendo da temperatura pode tornar a recuperar as propri­edades, podendo até sobrepujá-las. Para que isso ocorra o aquecimento não pode ser nunca acima da linha sol vus.

A dureza máxima atingida depende da temperatura de tratamento, Geralmente um tempo mais prolongado, a bai­xas temperaturas, dá maiores durezas que tempos curtos a altas temperaturas"

Esqu em à ti camen te podemos representa r êsse fenômeno como é visto na fig. 79, e para o .caso de aços de baixo carbono as propriedades são dadas na fig. BOi

7&MR~

"i2?M.Po ..lJG PRJ:"C/.P/T:'IÇAÕ

/N,e::-.t. v#Nc/~ .DO 7"é!Y?P'C .1: DA 7'GA4P.!?R~rUR.tfl N-4 .Z:,Vil?GZ-4 .. zu;; V'A-?A LIGA

.Fig. 79

O tempo de tratamento varia muito com a temperatura. Um pequeno abaixamento desta requer um grande aumento daquele.

A deformação a frio da liga, tem grande influê~cia no tratamento, acelerando a precipitação, que ocorre por difusão, esta sendo mais fácil nos reticulados de­formados.

As ligas precipitadas, dade, podem ser encruadas

se não"perdem muita ductili­posteriormente, dando maior

110

dureza, que no caso ~nverso - precipitação após o en­cruamen to.

A resistência mecânica dos materiais metálicos em geral cresce com a dureza, porém com êstes tratamentos foram observados casos em que êsse fenômeno não ocorre - ligas de cobre com 1% de ferro, nas quais a resistên­cia não aumenta - ou o.corre em sentido inverso - ligas de alumínio contendo 50% de prata.

A adição de pequenas quantidades de certos elemen­tos a uma liga, aumenta a dureza ou acelera o fenômeno, ao passo que em outras ligas fenômenos inversos podem ocorrer.

Como exemplo de influências benéficas temos: l) a adição de magnésio às ligas Al-Cu, permitindo

a precipitação a temperatura ambiente. 2) as ligas Ag-Au, que podem ser precipitadas a

temperaturas mais baixas pela adição de Zn ou Cd, 3) ligas de Au-Pt só são precipitáveis se contive­

rem pequenas quantidades de Zn ou Fe.

' ,ÇQ ;

88

84

80

76

Jo· .20 :50 40 50 60 70 7.5:/00.T.So 200

?2'M.PO 4 TEMPER-'1TI/RA :t>é ri2EC/PJ7AÇAÔ $ivl /1012-45

DO rE.MPO G 7CN?PERA7V~ /YA .OV.tJEZ A Aç:o ,.:z:;e O,OC ~<> .1>e cARS~?Vo APOS:

T&YrG-:?4 :OG 7.2a""c

Fig. 80 As influências prejudiciais podem ser exemplifica­

das com: 1) a adição de Fe a liga duralumínio, reduzindo o

endurecimento. 2) a existência de pequenas quantidades de Au nas

1 11

ligas Ag-Cu, tornando-as não precipitáveis em alguns

casos. Os aços de baixo carbono - entre 0,008 e 0 7 03% C­

podem ser submetidos a êsses tratamentos, a precipita­ção ocorrendo a temperatura ambiente.

A fragilidade de revenido apresentada por alguns aços que é diminuída _por um resfriamento rápido após êsse tratamento, é explicada como sendo devida à solu­bil;ização de alguns compostos, que pode ocorrer, e que se precipitam posteriormente.

Temperaturas e tempos de tratamento

As temperaturas de tratamento são limitadas pelas linhas dos diagramas de equilíbrio das ligas.

A temperatura de solubilização é limitada pela li­nha líquidus. No caso de ligas complexas a formação de eutéticos pode inutilizar a liga por um tratamento a temperaturas relativamente elevadas.

A temperatura de precipitação é limitada pela linha solvus,

Ambas essas temperaturas devem ser bem estudadas para cada tipo de liga e conforme as propriedades dese­jadas.

O tempo de tratamento varia grandemente com a liga e com as propriedades requeridas. Mesmo o tempo de so­lubilização parece influir nas propriedades finais.

Na tabela VII são dadas algumas ligas suscetíveis de tratamentos de solubilização e precipitação, e que são de grande importância industrial. Nessa tabela são en~ontrados dados a respeito dos tratamentos que devem ser executados para obtenção de boas propriedades.

No gráfico da fig. 81, é vista a variação de pr6-priedades das ligas de alumínio contendo 3;8% Cu, 0_,55% Mg e O, 5% Mn, em função do tempo e temperatura de preci­pitação.

No gráfico da fig. 82 é vista a variação de propri~ dades de um bronze manganês-níquel (Cu-80% Mn 10% e Ih 10%) em função do tempo de precipitação a diferentes temp.eraturaso

As planchas XVI a XIX mostram aspectos destas ligas com diferentes tratamentos.

i

1 12

TABELA V I I

Solubilização Precipitação

Liga Tempera- Tempo Temperatura Tempo I tur a p c horas p c horas

I Cu 1000 430 - 500 2-3

0;5% C r Cu

2,6% Co 900 1 500 2-4 l 0,4% Be I

I '

Cu 10%Mn '750-800 2 400 192 i 10% Ni

I Al I

2% Si 520-540 2-4 155-165 8-12 I 0,05% Mg 0,7 % Mn

Al 4 Cu 400-,520 3-24 100-225 1-6

1 .. 5 Mg 2 Ni

Al 3,8 Cu .495-.505 2-_4 ......... . . - - 96-14;4

0,55 Mg 0,-5 Mn

Cu 2 Be 800 300-320

0,5 Co ma?f 1------~_.,~.--:

' A ln i co 1000-115) .590-700 1

'(*)

A ln i co v 1300 .540-620 4-10

'(*)

F e 28% w 1430 760

(*)Na tabela VIII são dados- as diversa_!> compos1ções que_ levam ês te nome.

Bronze manganez-niquel (80-10-10) original - ataque - reativo de percloreto de ferro. 75 X.

,,

i ..• í

.. ;

L.

l 1

. ' , ·.

' ..

.. . - ··· : l . -~

.. .

• i

.; . .. : ._ -· . ~ ...... _...)!

Bronze mar:i.ganez-níquel (80-10-10) solubilizado a 850" C durante 24 horas - ataque - reativo de percloreto de ferro. 75 X.

'i t r'

r ',

• • . ~ . '

'()}

/

/ ' ,/ .

~/ I ... ~ .

Bronze manganez-níquel (80-10-10) solubilizado a 750" C durante duas horas e precipitado a 350° C durante 72 horas - ataque -

reativo de percloreto de ferro. 75 X.

~-~

( \ I

Bronze manganez-níquel (80-10-10) solubilizado a 700• C durante duas horas e precipitado a 350• C durante 192 horas. Ataque -

reativo de percloreto de ferro. 1000 X.

11 3 TABELA VIII

I ~ !!Composições típicas de ligas Alnico (magnéticas) i\

liga Al -.----~ ----------~1!

Ni ' Co i outros elementos d

% % % i % :1 . i p ;,.._ ______ __;_ ___ ~-------~- ------jAlnico I 12 I 20 5

)Alnico II 10 i 'l7 . 2 5 i l J i .I

i A ln i. co I I I. 12 25

'!Alnico IV ! 12 :I I ~------~----+---~------r

\Alnico V 8 14 24 '

28 5

6 Cu

.I

:)

--------------------~! 8 Cu " ,1,1

::~ --------~---~--~---~---------------­!Alnico VI 8 15 24 8 Cu 1, 25 Ti ii 1----------L---+---+----+-----------------1! 'l_~n_i co VI I j_~ __ j _ __::~_j_a~-~ ----~-Ti il .---- -------------? t!Em tôdas as ligas o restante para constituir 100'/o é!1

1

::f H err=o=,========================================================~

Finalmente, no gráfico da fig. 88 é vista a var1a­ção da resistência das ligas cobre e berílio, submeti­das a tratamentos térmicos.

114

'-.l lj ~ ~ ~ ~ ~

i, O

38

..3G

34

32

:30

110

fOO

!)o

80

7o

60

I I 35°' ' I

I. I' ·~~ I 'Oo / :---

1/ I / I I / I I

11 ~~6 VJ

I o .!16 12 4:'~ 48 .96

7"$/WI='O EIV? HORAS

35°'

v i

~ /?õof ~ --/ ! v ll J / IYOO v

TEMPO EM HORAS

1.//f.J?IAÇAO .PAs p_,2C:P/2/EDAEIE:..'5 ..Z>e v/W4 <.-/G4 .z:>E Al 50I.ti­

.BIL1.?.:4D4 A -~C;c"c &:/14 'PV;yç..,.;"c .:P4 TG?4P-G.R47"'"U/24 E TGMPO

~ ?RiECI'P/T_.fÇ,riO

. .i!'ig. 81

'/50 ~ ~ ~/30 ll] C)

'~JfO ~ ~ ~90

~ ~ 't< 70 ~ ~ ~.50 cç

30 o

320 r-----~----T-----~--~ 3D C

2t>tJ

150

/(}O

r$M,PC1 .:z:>~ PRGC/P/r4~Õ EM HO.R-4S

Fi g, 8 2

.f 6 o TEMPO GM'

Fig. 8 3

2. ~ HORAS

11 5

116

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1952,

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