Ciência e Tecnologia dos Materiais - Trabalho de análise de tratamento térmico sobre aços de baixo carbono

Ciência e Tecnologia dos Materiais - Trabalho de análise de tratamento térmico...

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Ciência e

Tecnologia

Dos Materiais

Joinville – SC, 18 de Junho de 2008 Universidade do Estado de Santa Catarina Departamento de Engenharia Mecânica Professor Dr. Cesar Edil da Costa Professor Dr. Julio Cesar G. Milan Acadêmicos: Auzany Freitas Barbosa Júnior

David Roza José Ronan Diego de Oliveira

Sumário

Resumo 1.Introdução 2. O Aço 1020 3. O processo de Cementação 3.1 Cementação Sólida 3.2 Cementação Líquida ou Banho de Sair 3.3 Cementação Gasosa 4. A Têmpera 5. O Revenido 5.1 Fragilização por Revenido 6. Experimentação 6.1 Materiais 6.2 Método Experimental 6.3 Análise dos Resultados 6.3.1 Fotos da metalografia da amostra temperada 6.3.2 Fotos da metalografia da amostra temperada e revenida 7. Conclusão 8. Bibliografia

Resumo

Este trabalho discorrerá sobre as técnicas e procedimentos para a cementação, têmpera e revenido de amostras de aço de baixo teor de carbono. Aplicaremos a teoria através de um ensaio experimental e analisaremos os resultados obtidos.

1. Introdução

A escolha do material e dos tratamentos aos quais ele será submetido é crucial para o sucesso de um projeto. Uma vez determinado o material, é fundamental termos certo nível de controle sobre a sua microestrutura e, consequentemente, sobre as suas propriedades, para que os resultados estejam conforme o esperado.

Algumas aplicações exigem propriedades diferentes em regiões estratégicas de uma mesma peça ou de um mesmo componente mecânico. Como exemplo, podemos citar uma engrenagem, cuja aplicação requisita elevadas dureza e resistência ao desgaste nos dentes, onde há contato com outros elementos de máquinas, mas ductilidade e tenacidade no núcleo, para absorver choques eventuais. Uma das alternativas para se atingir esse conjunto de propriedades é submetendo o material aos processos de cementação, têmpera e revenido que, se realizados sob condições adequadas, proporcionarão ao material essas características.

Esse trabalho trata de um experimento feito com uma amostra de aço 1020, que passou pelo tratamento termoquímico de cementação e pelos tratamentos térmicos de têmpera e revenido. A cementação tem finalidade de aumentar o teor de carbono na superfície da amostra, conferindo-lhe resistência ao desgaste, dureza e temperabilidade. Para maximizar a dureza da superfície, é realizada a têmpera, que transforma em martensita a microestrutura da periferia, mas não afeta o núcleo, devido ao seu baixo teor de carbono, mantendo a ductilidade e a tenacidade nessa região. Por fim, o revenido é feito visando tirar algumas tensões residuais da martensita e modificar a sua microestrutura, para que a superfície tenha um mínimo de ductilidade.

A seguir, os tratamentos serão explicados, o procedimento experimental será apresentado e os resultados, analisados.

Aço é a definição para uma liga ferro-carbono cuja composição não excede 2%pC e que pode conter alguns elementos de liga. Dentre os metais, é o material mais importante na engenharia, devido à sua vasta área de aplicação, que explora diferentes combinações das suas propriedades mecânicas.

Uma classificação existente para esse material, o divide em dois grupos: os aços comuns ao carbono, nos quais ferro e carbono são os principais elementos, e os aços liga, que contêm quantidades apreciáveis de outros elementos como níquel, cromo, silício, manganês e outros.

De acordo com a norma ABNT, a nomenclatura "aço 1020" indica que ele pertence ao grupo dos aços comuns ao carbono e que possui 0,20%pC, encaixando-se no subgrupo de aços de baixo carbono, os quais contêm, no máximo, 0,25%pC. Esse material é de boa maleabilidade, fácil de ser forjado, soldado e usinado. Geralmente é usado em estruturas mecânicas, como chapas de automóveis, em peças rosqueadas, barras laminadas e perfiladas e em muitas outras aplicações que tirem vantagens da sua ductilidade e tenacidade e que não estejam sujeitas ao desgaste. A empresa Gerdau, por exemplo, indica esse tipo de aço para aplicação em parafusos, eixos, componentes forjados sem maiores exigências, barra de distribuição, peça cementada e tubos soldados. Em catálogos da Brasimet, constatamos que esse material também é utilizado na fabricação de certos moldes para a injeção de plástico.

Para diferenciar ainda mais o seu campo de atuação, o fato de haver pequena quantidade de carbono na composição torna o aço 1020 suscetível à cementação, que proporcionará propriedades superficiais de aços com maiores teores de carbono. Normalmente, o aço 1020 não adquire têmpera, pois a sua composição faz com que se forme perlita durante o resfriamento do material austenitizado, mas sendo submetido à cementação, é possível transformar uma camada superficial em martensita, em virtude do enriquecimento de carbono nessa região durante o processo. Com esse procedimento podemos aplicar o aço 1020 em casos mais específicos como o da engrenagem, já citado.

Essa é uma situação em que é necessária resistência ao desgaste na superfície, pois a interação com outras engrenagens e componentes mecânicos é sujeita aos efeitos do atrito, e tenacidade no núcleo, para absorver as vibrações e os choques inerentes à transmissão de movimento.

3. O Processo de Cementação

O ferro, quando na forma de austenita, solubiliza uma quantidade de carbono bem maior que em temperatura ambiente, na forma de ferrita. Isso se deve à estrutura cristalina CFC – cúbica de face centrada – na austenita, que é capaz de comportar mais carbono intersticial que a C – cúbica de corpo centrado – da ferrita. E para manter o ferro austenitizado devemos mantê-lo sob altas temperaturas, nas quais as taxas de difusão atômica são bastante significativas. Aí reside o princípio da cementação.

Segundo Américo Yoshida [1]: “chama-se cementação o processo de saturação com carbono da camada superficial dos aços de baixo de carbono”. O aço de baixo carbono austenitizado, envolto por uma atmosfera rica em carbono, tende a absorvê-lo, devido à difusão favorecida pelas altas temperaturas. No final do processo uma fina camada externa do material terá uma composição diferente da do núcleo, contendo um teor de carbono elevado. Geralmente esse tratamento precede a têmpera, com a finalidade já mencionada de se obter dureza e resistência ao desgaste na periferia e tenacidade no núcleo de uma peça.

A cementação pode ser realizada por via sólida, líquida ou gasosa. No experimento feito no laboratório, utilizamos a cementação sólida.

3.1 Cementação Sólida

Nesse processo, as peças de aço são acondicionadas em caixas metálicas, imersas em carvão vegetal e carbonatos como substâncias ativadoras (carbonato de bário e/ou de sódio, principalmente). Sob temperaturas normalmente entre 815 e 950°C, forma-se a camada rica em carbono, cuja profundidade é função do tempo de exposição ao patamar de altas temperaturas.

Dentro da caixa metálica, as peças são colocadas em pontos eqüidistantes e devem estar de 25 a 30mm das paredes do recipiente. O espaço restante, preenchido com o meio sólido carburizador, será o responsável pelas transições de carbono que acontecem sob as condições adequadas para o tratamento.

O mecanismo de difusão tem início na associação, que acontece em altas temperaturas, de carbono com o oxigênio contido na caixa metálica:

Em seguida o CO2 reage com carbono, resultando na formação de CO, favorecida pela presença dos carbonatos. O carbono atômico, C , difunde para a peça após a decomposição do CO.

CO2 + C → 2 CO

2 CO → 2 C + O2 As vantagens desse tipo de cementação resumem-se em custo e praticidade. Uma grande variedade de fornos pode ser utilizada, a atmosfera não precisa ser controlada, não exige muita experiência do operador e é econômica para pequenos lotes de peças ou para peças muito grandes.

Contudo, é um processo mais lento que os demais e não oferece controle ou homogeneidade da distribuição de carbono pelas camadas superficiais da peça cementada. Isso o torna inaplicável para peças muito pequenas ou finas ou que devam ter um controle preciso sobre a espessura da camada cementada..

A fig. 6.3.1.1 mostra a camada cementada da amostra de aço 1020 referida nesse trabalho. Após o ataque químico com nital é possível observar, com ampliação de 5x, uma camada cementada, mais clara na figura. Conforme uma tabela retirada do livro Nova Mecânica Industrial, de Américo Yoshida, para temperaturas entre 850 e 950°C, os valores médios que relacionam tempo de cementação e profundidade da camada cementada são:

Tempo (h) Profundidade (m)

Tempo (h) Profundidade (m)

Outra referência disponível é a tabela a seguir, que relaciona as duas características mencionadas com temperaturas específicas.

3.2 Cementação Líquida ou Banho de Sais

Caracterizado por manter o aço em um banho de sais fundidos, contendo carbono em suspensão, o processo de cementação líquida é dividido de acordo com a espessura final da camada cementada desejada:

O banho para baixas temperaturas ocorre entre 845 e 900ºC e permitem obter camadas de 0,08 a 0,8mm de espessura. Para camadas compreendidas no intervalo de 0,5 e 3,0mm, usa-se o banho para altas temperaturas, operando entre 900 e 955°C

Essa técnica oferece a obtenção de grandes profundidades de penetração do carbono na peça em pequenos intervalos de tempo, proteção contra a descarbonetação e flexibilidade na operação, no sentido de permitir a colocação ou a retirada de algumas peças enquanto outras ainda estão sendo tratadas.

Por outro lado, o processo é tóxico, devido à empregabilidade de cianetos, e é sujeito à neutralização dos banhos via processamento químico, após um determinado período de operação.

3.3 Cementação Gasosa

O mais importante processo industrial de cementação utiliza uma atmosfera com potencial de carbono controlado como meio de difusão. O forno, fechado hermeticamente, oferece as condições adequadas quando mantido entre 900 e 950°C.

São empregados hidrocarbonetos na atmosfera do forno, como o propano, o butano, o metano e o gás natural. Esses gases são responsáveis pelo enriquecimento de carbono na peça e trabalham em conjunto com gases veículos, usados para diluir os gases cementantes.

Apesar de ser um processo oneroso, devido aos equipamentos caros utilizados, e de requerer habilidade mais apurada do operador, a cementação gasosa é mais limpa que a sólida, proporciona um controle muito maior do teor de carbono e da espessura da camada cementada, possibilita a têmpera direta, procedimento inviável quando se usa o meio sólido de difusão, e é muito mais rápido, podendo produzir camadas de 1mm em aproximadamente 45 minutos de tratamento.

4. A Têmpera

Consiste no resfriamento do aço de uma temperatura superior à sua critica em um meio como óleo, água,salmoura ou mesmo ar. O objetivo precípuo da têmpera é a obtenção da estrutura martensítica. Num diagrama T isso significa que a curva de resfriamento deve passar à esquerda do cotovelo da curva que dita o início de formação de outra microestrutura. A velocidade de resfriamento, nessas condições,dependerá do tipo de aço, da forma e das dimensões das peças.

Na têmpera o constituinte final é a martensita, e essa operação sob o ponto de vista de propriedades mecânicas, é o aumento do limite de resistência à tração do aço e também da sua dureza.Como outros efeitos do temperamento de um aço resultam a redução da ductilidade, tenacidade e o aparecimento de apreciáveis tensões residuais.

Para o sucesso do processo de temperamento vários fatores devem ser levados em conta. Inicialmente todo o aço deve estar austenitizado. A velocidade resfriamento da austenita deve ser tal que impeça a formação de outro microconstituinte que não a martensita.

Um fato importante a considerar na operação de têmpera, devido à ação que exerce na estrutura final do aço,é a temperatura de aquecimento. Em princípio,qualquer que seja o tipo de aço - hipoeutetóide ou hipereutetóide - a temperatura de aquecimento para têmpera deve ser superior à linha transformação eutetóide, quando a estrutura consistirá de grãos de austenita, em vez de perlita.O aço sendo hipoeutetóide,entretanto, além da austenita, estarão presentes grãos de ferrita. Assim sendo, um aço com tal estrutura, quando resfriado em água, por exemplo, apresentará martensita conjuntamente com ferrita, pois esta que estava presente acima da temperatura eutetóide, não sofre qualquer alteração ao ser o aço temperado.Tem-se, portanto, têmpera ou endurecimento incompleto do material,o que geralmente deve ser evitado, pois na visa-se obter a máxima dureza. Em conseqüência, ao aquecer-se um aço hipoeutetóide para a têmpera,deve-se elevar sua temperatura acima do limite superior da zona critica - linha austenítica - pois então a sua estrutura consistirá exclusivamente de austenita que se transformará em martensita no resfriamento rápido subseqüente.É evidente que devem ser evitadas temperaturas muito acima da eutetóide,devido ao superaquecimento que se poderia produzir, e que ocasionaria uma martensita acicular muito grosseira e de elevada fragilidade.

Ao contrário dos aços hipoeutetóides, os aços hipereutetóides são normalmente aquecidos acima da eutetóide, sem necessidade de se ultrapassar a temperatura correspondente à austenitica. De fato, acima da eutetóide o aço será constituido de grãos de austenita e pequenas particulas de carbonetos secundários.No resfriamento subseqüente,a estrutura resultante apresentará martensita e os mesmos carbonetos secundários.Como estes apresentam uma dureza até mesmo superior à da martensita, não haverá maiores inconvenientes. Procura-se, por outro lado, evitar, nesses aços hipereutetóides, aquecimento acima da austenítica, visto que a austenita resultante apresentará granulação grosseira, com conseqüente martensita acicular grosseira.

A martensita nada mais é que uma solução sólida de ferro supersaturada com carbono. Quando a microestrutura é austenítica os átomos de carbono distribuem-se no interior das unidades cristalinas CFC. Entretanto as unidades cristalinas C da ferrita são incapazes de acomodar os átomos de carbono sem que se produza considerável deformação do reticulado.

Aumentando a velocidade de resfriamento da austenita, podemos ultrapassar a velocidade de difusão do carbono. Ao atingirmos e superarmos esse ponto, impedimos a expulsão do carbono da solução sólida para a formação de cementita. Ao fazermos isso conseguimos “prender” o carbono dentro da estrutura do ferro alfa; e à isto damos o nome de martensita. A extrema dureza desta é atribuída à distorção do reticulado causada pela supersaturação.

cabonetos grandemente dispersas

Admite-se hoje que a martensita apresenta uma estrutura tetragonal centrada e não cúbica, formada por um movimento de átomos em planos específicos da austenita. Essa estrutura está sujeita a microtensões elevadas e se apresenta também supersaturada de carbono ou contém particulas de

Abaixo segue um gráfico da dureza obtida em têmpera para diversas concentrações de carbono:

Após 0,8pC% a dureza começa a decrescer devido à formação de austenita retida.

5. O Revenido

O revenido é o tratamento térmico que normalmente acompanha a têmpera, pois elimina a maioria dos inconvenientes produzidos por esta: além de aliviar ou remover as tensões internas, corrige a excessiva dureza e fragilidade do material, aumentado sua ductilidade e resistência ao choque. Recomenda-se revenir logo após a têmpera, para diminuir a perda de peças por ruptura, a qual pode ocorrer sem se aguardar muito tempo para realizar revenido.

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