Tratamentos Térmicos e Superficiais

As propriedades mecânicas e desempenho em serviço de um material, no caso deste estudo, do metal e suas ligas, dependem da composição química, estrutura cristalina, forma com que foi processado para chegar ao produto final, e dos tratamentos térmicos. Pode-se descrever um tratamento térmico como ciclos de aquecimento e resfriamento controlados e aplicados no material metálico com o intuito de causar modificações na microestrutura do mesmo. Essas alterações são para benefício das propriedades mecânicas no comportamento em serviço, sendo aplicáveis tanto em metais ferrosos e não ferrosos (DIETER, 1988).

Figura 10: Efeito de diferentes tratamentos térmicos nas propriedades mecânicas de um aço AISI 1040.

Conforme descrito na figura 11, os fatores que determinarão os tipos de tratamentos térmicos são: temperatura; taxas de aquecimento e resfriamento; tempo de permanência em uma determinada temperatura.

Figura 11: Diagrama Ferro Carbono, Fe-C. Fone: (CHIAVERINI, 2005)

Sabe-se que o controle e utilização dos tratamentos térmicos trarão resultados de acordo com a necessidade de aplicação, produzindo diferentes tipos de estruturas cristalinas nas peças ou componentes aplicados. Os principais tratamentos térmicos e adequados aos dois tipos de metais existentes são apresentados na tabela 1 a seguir, relacionando-as nas estruturas das ligas com os respectivos tratamentos (DIETER, 1988).

Ligas Ferrosas – Aços e Ferros fundidos

Ligas Não Ferrosas e Aços inoxidáveis Recozimento, normalização, têmpera,

revenimento.

Solubilização, homogeneização envelhecimento, recozimento

Tabela 1: Relação entre estrutura do metal e tratamento térmico adequado. Fonte: (DIETER, 1988).

No que tange à relação entre a estrutura do metal e tratamento térmico adequado, os tratamentos que são aplicados às ligas ferrosas – aços e ferros fundidos – são: recozimento, normalização, têmpera e revenimento. Suas características são:

 Recozimento: consiste em colocar o material em uma temperatura acima da temperatura de recristalização por períodos de tempo que vão de minutos a poucas horas, visando a eliminação e o rearranjo de defeitos cristalinos causados pelo encruamento do material por diversos processos, diminuindo, assim, a dureza do material metálico.

 Normalização: é realizado de forma semelhante ao tratamento térmico de recozimento, caracterizando-se por um resfriamento do aço feito ao ar a partir de uma temperatura onde existam 100% de austenita e essa temperatura dependerá da composição do aço. O produto dessa reação é a formação de ferrita e de perlita com suas respectivas porcentagens dependentes da composição do aço.

 Têmpera: ao contrário do recozimento e da normalização, seu objetivo é a formação de uma fase chamada martensita que é dura e frágil. A têmpera caracteriza-se por um resfriamento rápido a partir de uma temperatura que dependerá da composição do aço, mas que exista 100% de austenita.

 Revenimento: este tratamento é realizado logo após a têmpera, causando alívio de tensões na pela temperada, que tem por consequência uma diminuição da resistência mecânica e também um aumento na ductilidade e na tenacidade. As temperaturas para esse tratamento estão sempre abaixo das temperaturas críticas (onde forma-se a austenita), mas havendo faixas de temperaturas proibidas em função da fragilização de alguns tipos de aços.

A tabela 2 faz um comparativo na escala de dureza Brinell entre os tratamentos supracitados, descrevendo as diferenças entre eles.

Aço %Carbono Dureza Brinell Aço Recozido Dureza Brinell Aço Normalizado

Dureza Brinell Aço Temperado 0,01 90 90 90 0,20 115 120 229 0,40 145 165 429 0,60 190 220 555 0,80 220 260 682

1,00 195 295 Acima de 682 + formação de trincas 1,20 200 315 Acima de 682 + formação de trincas 1,40 215 300 Acima de 682 + formação de trincas

Tabela 2: Dureza de aços recozidos, normalizados e temperados. (Fonte: DIETER, 1988).

Os tratamentos térmicos realizados nos metais não ferrosos são um pouco diferentes. Elevadas taxas de resfriamento não levam à formação de uma fase dura e frágil como na martensita dos aços, mas sim um “congelamento” da microestrutura de elevada temperatura. A explicação para isso está relacionada com a presença do carbono nos aços, que é um elemento de liga intersticial e não substitucional.

Os tratamentos que são aplicados às ligas não ferrosas e aos aços inoxidáveis são: solubilização, envelhecimento e recozimento, que têm as seguintes características:

 Solubilização: tende a eliminação de precipitados no material e, frequentemente, é realizado em aços inoxidáveis. As temperaturas utilizadas nesse tipo de tratamento são elevadas e mais próximas do ponto de fusão das ligas, em regiões onde existe apenas uma fase como no diagrama de equilíbrio Fe-C.

 Envelhecimento: é o oposto da solubilização, também conhecido como recozimento isotérmico, visa a formação de precipitados que aumentam a resistência do material. É um tratamento realizado em temperaturas onde o diagrama de equilíbrio mostra a presença de pelo menos duas fases.

 Homogeneização: tem a função de homogeneizar a composição química do material. Comumente realizado em peças fundidas e seu tempo de duração é bastante longo, com temperaturas próximas das temperaturas utilizadas no tratamento de solubilização.

 Recozimento: conforme para materiais ferrosos, esse tratamento tende a diminuição do encruamento, diminuindo a dureza do material metálico e aliviando suas tensões residuais.

Os tratamentos térmicos superficiais envolvem alterações microestruturais nas propriedades mecânicas apenas na parte superficial da peça ou componente. É o caso de dentes de engrenagens, mancais, ferramentas, lâminas de barbear e matrizes. O objetivo do tratamento superficial é aumentar a dureza superficial, resistência a fadiga e desgaste sem a perda de tenacidade localizada no interior da peça ou componente. O procedimento básico desse tipo de tratamento é aquecer a peça ou componente em atmosfera rica em elementos como carbono, nitrogênio ou boro e assim agregar suas características a superfície do elemento, alterando sua propriedade estrutural (SINHA, 2003).

Pode-se citar como tratamentos térmicos superficiais:

 Cementação: utilizada em aços carbono ou ligados com teores de carbono de até 0,2%. Tem-se o aquecimento até temperaturas entre 870 e 950°C em atmosfera rica em carbono, ocorrendo uma reação química. O fornecimento dessa atmosfera é feita por gás ou banho de sais, produzindo uma espessura cimentada e dureza características do processo.

 Nitretação: usada em aços carbono ou ligados (Cr, Mo), aços ferramenta e aços inoxidáveis. Tem-se o aquecimento até temperaturas entre 500 e 600°C em atmosfera rica em nitrogênio. O processo consiste em colocar uma mistura de gases em um recipiente à vácuo onde é estabelecida uma diferença de potencial, produzindo ionização do gás nitrogênio que resulta em uma espessura nitretada e dureza características do processo.

 Carbonitretação: processo empregado em aços baixo carbono, onde ocorre um enriquecimento na superfície tanto em carbono como em nitrogênio.

 Banhos de sal (Cianetos): processo usado em aços baixo carbono (0,2%C) e aços ligados (0,08 a 0,02%C). Ocorre um enriquecimento na superfície da peça tanto em carbono como em nitrogênio. O processo consiste em colocar o aço em um banho de sal em temperaturas entre 760 e 845°C.

 Têmpera superficial: esse tratamento superficial pode ser feito de três formas: i) chama - que é utilizada em aços de médio carbono e ferros fundidos e o processo consiste no aquecimento localizado utilizando uma tocha oxiacetilênica e resfriamento com água ou outro meio (salmoura ou óleo); ii) por Indução - utilizado também em aços médio carbono e ferros fundidos, esse tratamento consiste em aquecimento localizado utilizando espiras de cobre por onde passa uma corrente com alta frequência e posterior resfriamento com água ou outro meio (salmoura ou óleo); iii) jateamento com granalhas - processo de trabalho a frio que projeta granalhas com alta velocidade (entre 20 a 100m/s) contra a superfície de um material metálico. A granalha atua como um pequeno martelo causando deformação plástica que enrijece a superfície. Extremamente utilizado para aumentar a vida em fadiga da peça ou componente.