Tratamentos Térmicos de Aços Associados ao Forjamento a Quente
4.5 – AÇOS PARA CEMENTAÇÃO
A introdução de carbono na superfície de uma peça para o aumento de sua dureza superficial e da resistência ao desgaste, aliada a uma tenacidade do seu núcleo, requer uma especificação adequada do material baseada na sua aplicação final e, também, no tratamento térmico posterior a essa cementação. É preciso considerar o meio de resfriamento a ser utilizado na têmpera após cementação e o tipo e grau de tensões a que as peças estarão submetidas (Chiaverini, 1981).
O meio de resfriamento dependerá da forma e seção das peças e do empenamento tolerável. Água ou soluções aquosas imprimem maiores taxas de resfriamento, são de baixo custo, facilitam a limpeza final das peças e são empregadas em peças simples ou com seções grandes e quando a possibilidade de empenamento é pequena. Já o óleo é empregado nas peças de geometria complexa ou com seções finas em que um resfriamento mais brusco levaria a um empenamento maior ou ruptura durante a têmpera. A velocidade de resfriamento definirá a dureza superficial e as propriedades de tenacidade e resistência do núcleo de cada material.
Quando se deseja apenas a máxima dureza superficial, geralmente utilizam-se aços de baixo carbono, sem ou com elementos de liga, e resfriamento em água ou soluções aquosas como meio de têmpera, desde que as dimensões e geometria da peça permitam. Caso haja risco de empenamento ou ruptura utilizando estes meios de têmpera, utiliza-se óleo e aços com elementos de liga que permitam a obtenção de dureza superficial aliada às propriedades mecânicas finais desejadas para o núcleo da peça.
Com relação ao tipo e grau de tensões residuais, os fatores mais importantes são: a espessura e microestrutura da camada cementada, as propriedades do núcleo e as características da zona de transição, camada cementada-núcleo.
Quando o desgaste de uma peça for o maior problema, recomenda-se que a camada cementada produzida tenha uma maior espessura possível e/ou que tenha uma microestrutura hipereutetóide, embora esta última promova uma maior fragilidade causada pelo rendilhado de carbonetos intergranulares livre nesta camada, de modo a aumentar a vida útil da peça. Quando se deseja uma camada com maior tenacidade, aços eutetóides ou ligeiramente hipoeutetóides são recomendados.
núcleos com percentual de carbono mais elevado e portanto mais resistentes para melhor suportar estas camadas.
A profundidade de cementação e a velocidade de penetração do carbono na superfície da peça são influenciadas não somente pela temperatura e tempo adotados neste tratamento, mas também, como observado por vários pesquisadores, pelos elementos de liga. No entanto, esses elementos influem pouco na dureza e resistência da camada cementada. Por outro lado, o percentual de carbono nessa camada tende a ser menor quando se tem elementos de liga ferritizantes – Si, Ni –; e maior quando se tem formadores de carbonetos – Cr, Mo.
A tenacidade da camada pode ser melhorada com o aumento de austenita retida que, por sua vez, pode ser obtida por têmpera direta em muitos aços para cementação e favorecida pela presença de um percentual maior de elementos de liga no material e carbono na camada cementada, pela temperatura de têmpera e pelo emprego de óleo para resfriamento. A melhoria da tenacidade está provavelmente associada a um efeito de amortecimento promovido pela austenita retida que diminui as tensões internas ou a formação de trincas nas agulhas da martensita. Nesse sentido, a resistência à fadiga deveria ser melhorada, porém os efeitos da retenção da austenita não são totalmente conhecidos.
Com relação ao núcleo, tem-se verificado que uma tenacidade alta não é muito importante, mas sim uma camada cementada de dureza elevada convenientemente suportada, visto que uma trinca gerada nesta camada irá se propagar através da peça por mais tenaz que seja o seu núcleo.
Para que a camada cementada seja suportada de maneira adequada, a zona de transição deve ser gradual e não abrupta, como ocorre quando se tem uma difusão insuficiente, o que favorece o lascamento desta camada.
Além da difusão, a microestrutura – perlítica, ferrítica ou bainítica – desta zona de transição é importante para se obter uma maior resistência possível da mesma de modo a garantir um melhor suporte da camada cementada. Nesse sentido, os aços de alta temperabilidade, por formarem uma zona de transição mais resistente, são recomendados, a exemplo dos aços ligas.
Para os aços para cementação, por questões de custo, recomenda-se, sempre que possível, a utilização de aços-carbono ou aços de baixo teor de liga com carbono mais elevado que nos aços simplesmente ao carbono. A adição de elementos de liga aumenta o custo dos aços além de dificultar as operações de fundição, forjamento, laminação e tratamentos térmicos. Porém, dependendo das seções e geometria da peça cementada é necessário o emprego de aços de alta
temperabilidade, o que representa introduzir um maior percentual de elementos de ligas. Os aços para cementação são divididos em (Chiaverini, 1981):
1) Aços-carbono para cementação: o percentual de carbono geralmente varia entre 0,08% a 0,25%, sendo utilizado o SAE 1020 como padrão ou seus variantes com adição de 0,70 a 1,00% de Mn a fim de melhorar a usinabilidade e a capacidade de cementar e endurecer sem formar pontos moles. Esses aços quando cementados, temperados e revenidos de forma adequada, podem apresentar um núcleo tenaz com resistência de até 690 MPa e camada cementada de elevada dureza, fazendo com que seja empregado em vários tipos de aplicações. Além disso, a realização e o controle do tratamento térmico destes aços são mais fáceis. São empregados em peças que não estão sob solicitações severas a menos do desgaste superficial como pinos, pequenas engrenagens, alavancas, fusos e roletes.
2) Aços-liga de baixo teor em liga: possuem elementos de liga num total de 1 a 2%. Elementos de liga como níquel, cromo, molibdênio e manganês, introduzidos em quantidades adequadas podem permitir a obtenção de alta dureza por têmpera em óleo aliada a uma alta resistência à tração – superior a 980 MPa – e boa dutilidade do núcleo, com o aumento do teor de carbono até 0,40 %. Estes aços são empregados em vários componentes como engrenagens de transmissão, coroas, pinhões, engrenagens de diferenciais, eixos de comando de válvulas e pinos de pistão.
3) Aços-liga de alto teor em liga: possuem mais de 2% de elementos de liga e apresentam alta temperabilidade, de modo que o teor de carbono não deve passar os 0,25%. O custo de produção elevado e as dificuldades na fabricação e tratamento térmico fazem com que esses aços sejam utilizados em situações especiais como em peças de grande seção e que necessitem de alta resistência mecânica e tenacidade.
O tratamento térmico dos aços para cementação é complexo em vista das regiões cementada, núcleo e zona de transição apresentarem composição química diferenciadas e conseqüentemente, microestruturas e propriedades mecânicas distintas. Chiaverini (1981) mostra as temperaturas de transformação e os tratamentos térmicos recomendados para alguns aços mais comuns submetidos à cementação.