I. O conceito básico de tratamento térmico.
A. O conceito básico de tratamento térmico.
Os elementos e funções básicos detratamento térmico:
1. Aquecimento
O objetivo é obter uma estrutura austenítica uniforme e fina.
2. Segurando
O objetivo é garantir que a peça de trabalho seja aquecida completamente e evitar a descarbonetação e a oxidação.
3. Resfriamento
O objetivo é transformar a austenita em diferentes microestruturas.
Microestruturas após tratamento térmico
Durante o processo de resfriamento após o aquecimento e a manutenção da temperatura, a austenita se transforma em diferentes microestruturas, dependendo da taxa de resfriamento. Diferentes microestruturas exibem diferentes propriedades.
B. O conceito básico de tratamento térmico.
Classificação baseada nos métodos de aquecimento e resfriamento, bem como na microestrutura e propriedades do aço.
1. Tratamento Térmico Convencional (Tratamento Térmico Geral): Revenimento, Recozimento, Normalização, Têmpera
2. Tratamento Térmico Superficial: Têmpera Superficial, Têmpera Superficial por Aquecimento por Indução, Têmpera Superficial por Aquecimento por Chama, Têmpera Superficial por Aquecimento por Contato Elétrico.
3. Tratamento térmico químico: Cementação, nitretação, carbonitretação.
4. Outros tratamentos térmicos: Tratamento térmico em atmosfera controlada, tratamento térmico a vácuo, tratamento térmico por deformação.
C. Temperatura Crítica dos Aços
A temperatura crítica de transformação do aço é uma base importante para determinar os processos de aquecimento, manutenção da temperatura e resfriamento durante o tratamento térmico. Ela é determinada pelo diagrama de fases ferro-carbono.
Conclusão principal:A temperatura crítica de transformação real do aço sempre fica atrás da temperatura crítica de transformação teórica. Isso significa que é necessário superaquecimento durante o aquecimento e subresfriamento durante o resfriamento.
II. Recozimento e Normalização do Aço
1. Definição de Recozimento
O recozimento consiste em aquecer o aço a uma temperatura acima ou abaixo do ponto crítico Ac₁, mantê-lo nessa temperatura e, em seguida, resfriá-lo lentamente, geralmente dentro do forno, para atingir uma estrutura próxima ao equilíbrio.
2. Finalidade do Recozimento
①Ajuste a dureza para usinagem: Obtenção de uma dureza usinável na faixa de HB170~230.
② Aliviar a tensão residual: Impede a deformação ou o aparecimento de fissuras durante processos subsequentes.
③Refinamento da estrutura dos grãos: Melhora a microestrutura.
④ Preparação para o tratamento térmico final: Obtém-se perlita granular (esferoidizada) para posterior têmpera e revenido.
3. Recozimento de esferoidização
Especificações do processo: A temperatura de aquecimento está próxima do ponto Ac₁.
Objetivo: Esferoidizar a cementita ou os carbonetos presentes no aço, resultando em perlita granular (esferoidizada).
Faixa de aplicação: Utilizado em aços com composições eutetóides e hipereutetóides.
4. Recozimento por difusão (Recozimento homogeneizador)
Especificações do processo: A temperatura de aquecimento está ligeiramente abaixo da linha solvus no diagrama de fases.
Objetivo: Eliminar a segregação.
①Para baixo-aço carbonoCom teor de carbono inferior a 0,25%, a normalização é preferível ao recozimento como tratamento térmico preparatório.
②Para aços de médio carbono com teor de carbono entre 0,25% e 0,50%, tanto o recozimento quanto a normalização podem ser usados como tratamento térmico preparatório.
③Para aços com teor médio a alto de carbono, entre 0,50% e 0,75%, recomenda-se o recozimento completo.
④Para alto-aço carbonoCom teor de carbono superior a 0,75%, utiliza-se primeiro a normalização para eliminar a rede Fe₃C, seguida de recozimento de esferoidização.
III. Têmpera e revenido do aço
A. Têmpera
1. Definição de têmpera: A têmpera envolve o aquecimento do aço a uma determinada temperatura acima do ponto Ac₃ ou Ac₁, mantendo-o nessa temperatura e, em seguida, resfriando-o a uma taxa maior que a taxa de resfriamento crítica para formar martensita.
2. Objetivo da têmpera: O objetivo principal é obter martensita (ou, em alguns casos, bainita inferior) para aumentar a dureza e a resistência ao desgaste do aço. A têmpera é um dos processos de tratamento térmico mais importantes para o aço.
3. Determinação das temperaturas de têmpera para diferentes tipos de aço
Aço hipoeutetóide: Ac₃ + 30°C a 50°C
Aço eutetóide e hipereutetóide: Ac₁ + 30°C a 50°C
Aço-liga: 50°C a 100°C acima da temperatura crítica.
4. Características de resfriamento de um meio de têmpera ideal:
Resfriamento lento antes da temperatura "frontal": Para reduzir suficientemente o estresse térmico.
Alta capacidade de resfriamento próxima à temperatura de operação: Para evitar a formação de estruturas não martensíticas.
Resfriamento lento próximo ao ponto M₅: Para minimizar a tensão induzida pela transformação martensítica.
5. Métodos de têmpera e suas características:
①Resfriamento simples: Fácil de operar e adequado para peças pequenas e de formato simples. A microestrutura resultante é martensita (M).
② Têmpera Dupla: Mais complexa e difícil de controlar, utilizada para peças de aço de alto carbono com formato complexo e peças de aço-liga de maiores dimensões. A microestrutura resultante é martensítica (M).
③ Têmpera Interrompida: Um processo mais complexo, usado para peças de aço-liga grandes e de formato complexo. A microestrutura resultante é martensítica (M).
④Resfriamento isotérmico: Utilizado para peças pequenas e de formato complexo com altas exigências. A microestrutura resultante é bainita inferior (B).
6. Fatores que afetam a temperabilidade
O nível de temperabilidade depende da estabilidade da austenita super-resfriada no aço. Quanto maior a estabilidade da austenita super-resfriada, melhor a temperabilidade, e vice-versa.
Fatores que influenciam a estabilidade da austenita super-resfriada:
Posição da curva C: Se a curva C se deslocar para a direita, a taxa crítica de resfriamento para têmpera diminui, melhorando a temperabilidade.
Conclusão principal:
Qualquer fator que desloque a curva C para a direita aumenta a temperabilidade do aço.
Fator principal:
Composição química: Com exceção do cobalto (Co), todos os elementos de liga dissolvidos na austenita aumentam a temperabilidade.
Quanto mais próximo o teor de carbono estiver da composição eutetoide no aço carbono, mais a curva C se desloca para a direita e maior é a temperabilidade.
7. Determinação e Representação da Temperabilidade
① Teste de temperabilidade por têmpera nas extremidades: A temperabilidade é medida utilizando o método de teste de têmpera nas extremidades.
②Método do Diâmetro Crítico de Têmpera: O diâmetro crítico de têmpera (D₀) representa o diâmetro máximo do aço que pode ser totalmente endurecido em um meio de têmpera específico.
B.Temperamento
1. Definição de têmpera
O revenimento é um processo de tratamento térmico no qual o aço temperado é reaquecido a uma temperatura abaixo do ponto A₁, mantido nessa temperatura e, em seguida, resfriado à temperatura ambiente.
2. Finalidade da têmpera
Reduzir ou eliminar a tensão residual: evita a deformação ou fissuração da peça.
Reduzir ou eliminar a austenita residual: estabiliza as dimensões da peça de trabalho.
Elimina a fragilidade do aço temperado: Ajusta a microestrutura e as propriedades para atender aos requisitos da peça de trabalho.
Nota importante: O aço deve ser revenido imediatamente após a têmpera.
3. Processos de têmpera
1. Têmpera baixa
Objetivo: Reduzir a tensão de têmpera, melhorar a tenacidade da peça e alcançar alta dureza e resistência ao desgaste.
Temperatura: 150°C ~ 250°C.
Desempenho: Dureza: HRC 58 ~ 64. Alta dureza e resistência ao desgaste.
Aplicações: Ferramentas, moldes, rolamentos, peças cementadas e componentes com têmpera superficial.
2. Têmpera Alta
Objetivo: Obter alta tenacidade, juntamente com resistência e dureza suficientes.
Temperatura: 500°C ~ 600°C.
Desempenho: Dureza: HRC 25 ~ 35. Boas propriedades mecânicas em geral.
Aplicações: Eixos, engrenagens, bielas, etc.
Refino térmico
Definição: O processo de têmpera seguido de revenido em alta temperatura é chamado de refino térmico, ou simplesmente revenido. O aço tratado por esse processo apresenta excelente desempenho geral e é amplamente utilizado.
IV. Tratamento térmico superficial do aço
A. Têmpera Superficial de Aços
1. Definição de Endurecimento Superficial
O endurecimento superficial é um processo de tratamento térmico projetado para fortalecer a camada superficial de uma peça, aquecendo-a rapidamente para transformá-la em austenita e, em seguida, resfriando-a rapidamente. Esse processo é realizado sem alterar a composição química do aço ou a estrutura interna do material.
2. Materiais Utilizados para Endurecimento Superficial e Estrutura Pós-Endurecimento
Materiais Utilizados para Endurecimento Superficial
Materiais típicos: Aço com médio teor de carbono e aço-liga com médio teor de carbono.
Pré-tratamento: Processo típico: Revenimento. Se as propriedades do núcleo não forem críticas, a normalização pode ser usada em vez disso.
Estrutura pós-endurecimento
Estrutura da superfície: A camada superficial normalmente forma uma estrutura endurecida, como martensita ou bainita, que proporciona alta dureza e resistência ao desgaste.
Estrutura do Núcleo: O núcleo do aço geralmente mantém sua estrutura original, como perlita ou estado temperado, dependendo do processo de pré-tratamento e das propriedades do material base. Isso garante que o núcleo mantenha boa tenacidade e resistência.
B. Características do endurecimento superficial por indução
1. Alta temperatura de aquecimento e rápida elevação da temperatura: O endurecimento superficial por indução normalmente envolve altas temperaturas de aquecimento e taxas de aquecimento rápidas, permitindo um aquecimento rápido em um curto período de tempo.
2. Estrutura de grãos finos de austenita na camada superficial: Durante o processo de aquecimento rápido e têmpera subsequente, a camada superficial forma grãos finos de austenita. Após a têmpera, a superfície consiste principalmente de martensita fina, com dureza tipicamente 2-3 HRC superior à da têmpera convencional.
3. Boa qualidade da superfície: Devido ao curto tempo de aquecimento, a superfície da peça é menos propensa à oxidação e à descarbonetação, e a deformação induzida pelo resfriamento rápido é minimizada, garantindo uma boa qualidade da superfície.
4. Alta resistência à fadiga: A transformação da fase martensítica na camada superficial gera tensão compressiva, o que aumenta a resistência à fadiga da peça.
5. Alta Eficiência de Produção: O endurecimento superficial por indução é adequado para produção em massa, oferecendo alta eficiência operacional.
C. Classificação do tratamento térmico químico
Cementação, Cementação, Cementação, Cromagem, Siliconização, Siliconização, Siliconização, Carbonitretação, Borocarburação
D. Cementação a gás
A cementação gasosa é um processo no qual uma peça de trabalho é colocada em um forno de cementação gasosa selado e aquecida a uma temperatura que transforma o aço em austenita. Em seguida, um agente cementante é gotejado no forno, ou uma atmosfera cementante é introduzida diretamente, permitindo que os átomos de carbono se difundam na camada superficial da peça. Esse processo aumenta o teor de carbono (wc%) na superfície da peça.
√Agentes de Carburação:
• Gases ricos em carbono: como gás de carvão, gás liquefeito de petróleo (GLP), etc.
•Líquidos orgânicos: como querosene, metanol, benzeno, etc.
√Parâmetros do processo de cementação:
•Temperatura de cementação: 920~950°C.
• Tempo de cementação: Depende da profundidade desejada da camada cementada e da temperatura de cementação.
E. Tratamento térmico após a cementação
O aço deve ser submetido a tratamento térmico após a cementação.
Processo de tratamento térmico após a cementação:
√ Têmpera + Revenimento a Baixa Temperatura
1. Têmpera direta após pré-resfriamento + revenimento a baixa temperatura: A peça é pré-resfriada da temperatura de cementação até um pouco acima da temperatura de Ar₁ do núcleo e, em seguida, imediatamente temperada, seguida de revenimento a baixa temperatura a 160~180°C.
2. Têmpera única após pré-resfriamento + revenimento a baixa temperatura: Após a cementação, a peça é resfriada lentamente até a temperatura ambiente e, em seguida, reaquecida para têmpera e revenimento a baixa temperatura.
3. Têmpera dupla após pré-resfriamento + revenimento a baixa temperatura: Após a cementação e o resfriamento lento, a peça passa por duas etapas de aquecimento e têmpera, seguidas de revenimento a baixa temperatura.
V. Tratamento térmico químico de aços
1. Definição de Tratamento Térmico Químico
O tratamento térmico químico é um processo de tratamento térmico no qual uma peça de aço é colocada em um meio ativo específico, aquecida e mantida a uma determinada temperatura, permitindo que os átomos ativos do meio se difundam na superfície da peça. Isso altera a composição química e a microestrutura da superfície da peça, modificando assim suas propriedades.
2. Processo básico de tratamento térmico químico
Decomposição: Durante o aquecimento, o meio ativo se decompõe, liberando átomos ativos.
Absorção: Os átomos ativos são adsorvidos pela superfície do aço e se dissolvem na solução sólida do aço.
Difusão: Os átomos ativos absorvidos e dissolvidos na superfície do aço migram para o interior.
Tipos de endurecimento superficial por indução
a. Aquecimento por indução de alta frequência
Frequência atual: 250~300 kHz.
Profundidade da camada endurecida: 0,5~2,0 mm.
Aplicações: Engrenagens de módulo médio e pequeno e eixos de pequeno a médio porte.
b. Aquecimento por indução de média frequência
Frequência atual: 2500~8000 kHz.
Profundidade da camada endurecida: 2 a 10 mm.
Aplicações: Eixos maiores e engrenagens de módulo médio a grande.
c. Aquecimento por indução de frequência de potência
Frequência atual: 50 Hz.
Profundidade da camada endurecida: 10~15 mm.
Aplicações: Peças que requerem uma camada endurecida muito profunda.
3. Endurecimento superficial por indução
Princípio básico do endurecimento superficial por indução
Efeito na pele:
Quando a corrente alternada na bobina de indução induz uma corrente na superfície da peça de trabalho, a maior parte da corrente induzida se concentra perto da superfície, enquanto quase nenhuma corrente passa pelo interior da peça. Esse fenômeno é conhecido como efeito pelicular.
Princípio do endurecimento superficial por indução:
Com base no efeito pelicular, a superfície da peça é aquecida rapidamente até a temperatura de austenitização (atingindo 800~1000°C em poucos segundos), enquanto o interior da peça permanece praticamente sem aquecimento. Em seguida, a peça é resfriada por aspersão de água, obtendo-se o endurecimento superficial.
4. Fragilidade por têmpera
Fragilidade por revenimento em aço temperado
A fragilidade por revenido refere-se ao fenômeno em que a resistência ao impacto do aço temperado diminui significativamente quando revenido a determinadas temperaturas.
Primeiro tipo de fragilidade por revenimento
Faixa de temperatura: 250°C a 350°C.
Características: Se o aço temperado for revenido dentro dessa faixa de temperatura, é altamente provável que desenvolva esse tipo de fragilidade de revenido, que não pode ser eliminada.
Solução: Evite revenir aço temperado dentro dessa faixa de temperatura.
O primeiro tipo de fragilidade por revenido também é conhecido como fragilidade por revenido a baixa temperatura ou fragilidade por revenido irreversível.
VI. Têmpera
1. O revenimento é um processo de tratamento térmico final que ocorre após a têmpera.
Por que os aços temperados precisam de revenimento?
Microestrutura após têmpera: Após a têmpera, a microestrutura do aço tipicamente consiste em martensita e austenita residual. Ambas são fases metaestáveis e se transformam sob certas condições.
Propriedades da martensita: A martensita é caracterizada por alta dureza, mas também por alta fragilidade (especialmente na martensita acicular com alto teor de carbono), o que não atende aos requisitos de desempenho para muitas aplicações.
Características da transformação martensítica: A transformação em martensita ocorre muito rapidamente. Após o resfriamento rápido, a peça apresenta tensões internas residuais que podem levar à deformação ou fissuração.
Conclusão: A peça não pode ser usada diretamente após a têmpera! O revenimento é necessário para reduzir as tensões internas e melhorar a tenacidade da peça, tornando-a adequada para uso.
2. Diferença entre temperabilidade e capacidade de endurecimento:
Temperabilidade:
A temperabilidade refere-se à capacidade do aço de atingir uma determinada profundidade de endurecimento (a profundidade da camada endurecida) após a têmpera. Ela depende da composição e estrutura do aço, particularmente de seus elementos de liga e do tipo de aço. A temperabilidade é uma medida de quão bem o aço consegue endurecer em toda a sua espessura durante o processo de têmpera.
Dureza (Capacidade de Endurecimento):
A dureza, ou capacidade de endurecimento, refere-se à dureza máxima que o aço pode atingir após a têmpera. Ela é fortemente influenciada pelo teor de carbono do aço. Um teor de carbono mais elevado geralmente resulta em maior dureza potencial, mas isso pode ser limitado pelos elementos de liga presentes no aço e pela eficácia do processo de têmpera.
3. Temperabilidade do aço
√Conceito de temperabilidade
A temperabilidade refere-se à capacidade do aço de atingir um certo grau de endurecimento martensítico após o resfriamento a partir da temperatura de austenitização. Em termos mais simples, é a capacidade do aço de formar martensita durante o processo de têmpera.
Medição da temperabilidade
O grau de temperabilidade é indicado pela profundidade da camada endurecida obtida sob condições específicas após o resfriamento rápido.
Profundidade da Camada Endurecida: Esta é a profundidade da superfície da peça até a região onde a estrutura é composta por metade de martensita.
Meios de têmpera comuns:
•Água
Características: Econômico e com forte capacidade de refrigeração, porém apresenta uma alta taxa de resfriamento próximo ao ponto de ebulição, o que pode levar ao resfriamento excessivo.
Aplicação: Normalmente utilizado em aços carbono.
Água salgada: Uma solução de sal ou álcali em água, que possui maior capacidade de resfriamento em altas temperaturas em comparação com a água pura, tornando-a adequada para aços carbono.
•Óleo
Características: Proporciona uma taxa de resfriamento mais lenta em baixas temperaturas (próximas ao ponto de ebulição), o que reduz efetivamente a tendência à deformação e ao aparecimento de fissuras, mas apresenta menor capacidade de resfriamento em altas temperaturas.
Aplicação: Adequado para aços ligados.
Tipos: Inclui óleo de têmpera, óleo para máquinas e óleo diesel.
Tempo de aquecimento
O tempo de aquecimento consiste na taxa de aquecimento (tempo necessário para atingir a temperatura desejada) e no tempo de manutenção (tempo em que a temperatura alvo é mantida).
Princípios para Determinar o Tempo de Aquecimento: Garantir a distribuição uniforme da temperatura em toda a peça, tanto interna quanto externamente.
Assegurar a austenitização completa e que a austenita formada seja uniforme e fina.
Critérios para determinar o tempo de aquecimento: Geralmente estimado por meio de fórmulas empíricas ou determinado experimentalmente.
Meios de Extinção
Dois aspectos fundamentais:
a. Taxa de resfriamento: Uma taxa de resfriamento mais alta promove a formação de martensita.
b. Tensão residual: Uma taxa de resfriamento mais alta aumenta a tensão residual, o que pode levar a uma maior tendência de deformação e fissuração na peça de trabalho.
VII. Normalização
1. Definição de Normalização
A normalização é um processo de tratamento térmico no qual o aço é aquecido a uma temperatura de 30°C a 50°C acima da temperatura Ac3, mantido nessa temperatura e, em seguida, resfriado ao ar para obter uma microestrutura próxima ao estado de equilíbrio. Comparada ao recozimento, a normalização apresenta uma taxa de resfriamento mais rápida, resultando em uma estrutura perlítica (P) mais fina e maior resistência e dureza.
2. Objetivo da Normalização
O objetivo da normalização é semelhante ao do recozimento.
3. Aplicações da Normalização
•Eliminar a cementita secundária em rede.
•Serve como tratamento térmico final para peças com requisitos menores.
•Atua como tratamento térmico preparatório para aços estruturais de baixo e médio carbono, visando melhorar a usinabilidade.
4. Tipos de Recozimento
Primeiro tipo de recozimento:
Finalidade e função: O objetivo não é induzir a transformação de fase, mas sim fazer a transição do aço de um estado desequilibrado para um estado equilibrado.
Tipos:
•Recozimento por difusão: Tem como objetivo homogeneizar a composição, eliminando a segregação.
• Recozimento de recristalização: Restaura a ductilidade eliminando os efeitos do encruamento.
• Recozimento para alívio de tensões: Reduz as tensões internas sem alterar a microestrutura.
Segundo tipo de recozimento:
Finalidade e função: Visa alterar a microestrutura e as propriedades, obtendo uma microestrutura dominada por perlita. Este tipo de tratamento também garante que a distribuição e a morfologia da perlita, da ferrita e dos carbonetos atendam a requisitos específicos.
Tipos:
•Recozimento completo: Aquece o aço acima da temperatura Ac3 e, em seguida, o resfria lentamente para produzir uma estrutura perlítica uniforme.
•Recozimento incompleto: Aquece o aço entre as temperaturas Ac1 e Ac3 para transformar parcialmente a estrutura.
•Recozimento isotérmico: Aquece o aço a uma temperatura acima de Ac3, seguido de resfriamento rápido até uma temperatura isotérmica e manutenção dessa temperatura para atingir a estrutura desejada.
• Recozimento de esferoidização: Produz uma estrutura de carboneto esferoidal, melhorando a usinabilidade e a tenacidade.
VIII.1. Definição de Tratamento Térmico
O tratamento térmico refere-se a um processo no qual o metal é aquecido, mantido a uma temperatura específica e, em seguida, resfriado em estado sólido para alterar sua estrutura interna e microestrutura, alcançando assim as propriedades desejadas.
2. Características do Tratamento Térmico
O tratamento térmico não altera a forma da peça; em vez disso, modifica a estrutura interna e a microestrutura do aço, o que, por sua vez, altera as propriedades do aço.
3. Finalidade do Tratamento Térmico
O objetivo do tratamento térmico é melhorar as propriedades mecânicas ou de processamento do aço (ou das peças), aproveitar ao máximo o potencial do aço, aumentar a qualidade da peça e prolongar sua vida útil.
4. Conclusão Principal
A possibilidade de melhorar as propriedades de um material através de tratamento térmico depende fundamentalmente da ocorrência de alterações em sua microestrutura e estrutura durante o processo de aquecimento e resfriamento.
Data da publicação: 19 de agosto de 2024