Os tratamentos térmicos a que são submetidos os aços rápidos são têmpera e revenido, com o objetivo de proporcionar ao material altos valores de dureza e resistência ao desgaste.
Conforme é mostrado na Figura 10 que ilustra o ciclo típico do processo de tratamento térmico realizado nas ferramentas de corte de aço rápido. Diversas referências indicam que a estrutura dos aços rápidos em estado recozido, ou em estado sinterizado consiste em uma dispersão de carbonetos dos elementos de liga em uma matriz ferrítica. As propriedades dos aços rápidos dependem da dissolução destes carbonetos na matriz durante o aquecimento no tratamento térmico de endurecimento [BOCHNOWSKI, 2003], [HONG, 2003], [HOYLE, 1988], [METALS HANDBOOK, vol.2], [ODÉRIZ, 1998], [ZAPATA, 1998].
2.6.1. Etapas do processo de tratamento térmico
2.6.1.1. Pré-aquecimento
A realização do pré-aquecimento tem três finalidades básicas:
1º) Proporcionar um aquecimento mais gradual da peça antes de atingir a temperatura de austenitização desejada e com isso evitar o choque térmico que pode ocasionar trincas, problema comum na maioria dos aços rápidos.
2º) Evitar distorções da peça, principalmente quando existirem variações dimensionais ao longo de sua seção transversal e, conseqüentemente, algumas partes
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atingirem a temperatura exigida e sofrerem transformações antes que outras. Essas distorções ocorrem devido a mudança de volume, decorrente da alteração da densidade quando ocorre a transformação da ferrita para a austenita. Para que isso não ocorra, essas ferramentas devem ser pré-aquecidas abaixo da temperatura de formação da austenita (temperatura crítica) e, então, mantê-las nesta condição o tempo suficiente para permitir que a temperatura fique uniforme em toda a peça.
3º) Requerer menos tempo no forno para alcançar a uniformidade na temperatura de austenitização e também minimizar o tempo de permanência das ferramentas nessa temperatura para maximizar a tenacidade.
2.6.1.2. Austenitização
Todos os aços rápidos devem ser pré-aquecidos, em 2 ou 3 etapas, para a austenitização. A primeira etapa, que eventualmente pode ser eliminada, situa-se em 250ºC, a segunda em 550ºC, seguindo-se 800ºC. A partir do valor de 800ºC pode-se atingir rapidamente a temperatura de têmpera. A austenita inicia sua formação a 760ºC, entretanto, a esta temperatura os carbonetos ainda não se dissolveram e é baixa a quantidade de C contido na matriz devido à baixa solubilidade do carbono na ferrita presente a esta
temperatura. Acima dos 900ºC começa a dissolução dos carbonetos M23C6 até sua
completa dissolução a 1100ºC. A dissolução dos M6C começa ao redor dos 1000ºC-1150ºC
e continua até a temperatura de Solidus. Apenas na temperatura de Solidus os carbonetos
MC se dissolvem e ainda restam carbonetos M6C. À medida que avança a dissolução dos
carbonetos os elementos de liga passam para a matriz e formam uma austenita altamente ligada. O tempo no patamar de solubilização é de 2 a 5 minutos [HOYLE, 1988], [METALS HANDBOOK, vol.2], [ODÉRIZ, 1998].
2.6.1.3. Resfriamento brusco – têmpera por imersão
Uma vez que os elementos de liga tenham sido dissolvidos na matriz durante a austenitização, a ferramenta deve ser esfriada rapidamente para manter estes elementos em solução sólida e transformar a austenita em martensita, estrutura endurecida. A ação drástica da tempera, em que o resfriamento de algumas partes da ferramenta ocorre mais rapidamente que outras, em casos severos pode provocar distorções ou até trincas. Ferramentas de aços de alta liga podem ser resfriadas ao ar, em gás inerte, óleo ou banho
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de sais. Os aços temperados ao ar esfriam mais uniformemente, assim os riscos de distorção e de trincas são menores [TARNEY, 1996].
As ferramentas que são aquecidas acima de 1093ºC devem ser resfriadas rapidamente até uma faixa de temperatura de 982ºC a 704ºC, para evitar reações indesejáveis que podem prejudicar a tenacidade e a resposta ao endurecimento da ferramenta. A transformação da austenita para martensita não começa antes que o aço seja resfriado abaixo de aproximadamente 371ºC. Na maioria das ferramentas de aços rápidos a martensita se forma entre 315ºC e 93ºC. A quantidade de martensita depende
principalmente da temperatura “MF”. A formação total da martensita, não ocorre até o aço
atingir a temperatura de martensita final de 52/65ºC, sendo que o revenido deve ser
realizado imediatamente após a têmpera [BAYER, 1989].
Figura 10 - Esquema do processo de tratamento térmico das ferramentas de aço rápido [BAYER;
1989].
2.6.1.4. Revenimento
A estrutura dos aços rápidos temperados consiste de uma matriz martensita, austenita retida e carbonetos primários não dissolvidos. A austenita residual é ativada durante o revenido e se transforma, no resfriamento subseqüente, em martensita. Os
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aumentos de dureza no revenido dos aços rápidos, chamados de dureza secundária, são motivados pela transformação da austenita retida em martensita e pela separação de carbonetos na matriz transformada.
As etapas que ocorrem durante o revenido de um aço convencional Figura 11, são:
1- Desde a temperatura ambiente até 200ºC o teor de carbono da martensita
supersaturada diminui, transformando-se através da combinação com o ferro em
“carboneto intermediário” “ε” (Fe2,4C) o qual precipita nos contornos das agulhas
de martensita. Na medida que aumenta a precipitação, a martensita se empobrece em carbono até aproximadamente 0,20-0,25%C ocorrendo então a transformação da martensita tetragonal em martensita cúbica.
2- A austenita residual ou retida na microestrutura do aço transforma-se em “bainita”
(150-350ºC).
3- A partir de 300ºC o carboneto “ε” transforma-se aos poucos em Fe3C que precipita
nos contornos das agulhas de martensita e no seu interior. Continuando o
aquecimento o Fe3C precipitado no interior das agulhas é redissolvido em favor da
cementita dos contornos, ocorrendo a coalescência da cementita. Obtêm-se uma estrutura de carbonetos globulares e ferrita, chamada de “martensita revenida”.
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O “endurecimento secundário” pelo revenido está representado na Figura 12, que mostra a influência da temperatura de têmpera sobre a modificação de dureza de aços rápidos após o revenido. Como se observa o endurecimento secundário é verificado entre 500º C a 550º C. Os aços rápidos devem ser revenidos pelo menos duas vezes, na faixa de temperaturas de 530º C a 600º C; onde o segundo revenido tem por objetivo transformar a martensita que se formou no primeiro revenido.Geralmente, o tempo para cada uma das operações de revenido é de duas horas.
Figura 12 - Influência da temperatura de têmpera sobre a modificação de dureza de aços rápidos durante o revenido [HEINRICH, 1975].