UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS AMBIENTAIS E TECNOLÓGICAS CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
SAMANTHAYÁGARA VALADARES LIMA
AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DO TEMPO DE TRATAMENTO DE CEMENTAÇÃO SOBRE O INCREMENTO DA DUREZA DA CAMADA
CEMENTADA NO AÇO SAE 1020
MOSSORÓ 2017
SAMANTHA YÁGARA VALADARES LIMA
AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DO TEMPO DE TRATAMENTO DE CEMENTAÇÃO SOBRE O INCREMENTO DA DUREZA DA CAMADA
CEMENTADA NO AÇO SAE 1020
Monografia apresentada a Universidade Federal Rural do Semi-Árido como requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica.
Orientador: Prof. Dr. Francisco Edson Nogueira Fraga - UFERSA
MOSSORÓ 2017
ata. A mesma poderá servir de base literária para novas pesquisas, desde que a obra e seu (a) respectivo (a) autor (a) sejam devidamente citados e mencionados os seus créditos bibliográficos.
O serviço de Geração Automática de Ficha Catalográfica para Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC´s) foi desenvolvido pelo Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação da Universidade de São Paulo (USP) e gentilmente cedido para o Sistema de Bibliotecas da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (SISBI-UFERSA), sendo customizado pela Superintendência de Tecnologia da Informação e Comunicação (SUTIC) sob orientação dos bibliotecários da instituição para ser adaptado às necessidades dos alunos dos Cursos de Graduação e Programas de Pós-Graduação da Universidade.
L732a Lima, Samantha Yágara Valadares.
Avaliação da influência do tempo de tratamento sobre o incremento da dureza da camada cementada no aço SAE 1020 / Samantha Yágara Valadares Lima. - 2017.
68 f. : il.
Orientador: Francisco Edson Nogueira Fraga.
Monografia (graduação) - Universidade Federal Rural do Semi-árido, Curso de Engenharia Mecânica, 2017.
1. Difusão. 2. Cementação Sólida. 3. Dureza. 4.
Tempo. I. Fraga, Francisco Edson Nogueira, orient. II. Título.
Ao meu pai, Francisco Valadares, que sempre me incentivou a buscar minha independência e sempre investiu na minha educação.
A minha mãe, Rosângela Silva, por ter sido sempre muito amorosa e compreensiva perante todos os meus dias de estresse.
Ao meu namorado, Ricardo Florindo, que permaneceu ao meu lado durante todo esse tempo de formação me apoiando da maneira que foi possível.
AGRADECIMENTOS
Ao meu orientador, Prof. Dr. Francisco Edson Nogueira Fraga, pelos ensinamentos e orientação durante todo o trabalho, por ter apontado os erros e me ajudado a corrigi-los, e pela confiança durante todo o procedimento e apresentação deste trabalho.
Ao Prof. Dr. Manoel Quirino da Silva Júnior, pela ajuda e assistência durante todos os procedimentos no laboratório, pelas dúvidas tiradas, e por ter ajudado na obtenção do embasamento teórico.
Aos meus colegas do grupo de pesquisa, em especial Saulo Câmara, por ter me ajudado ainda no início do estudo sobre difusão e por ter disponibilizado seu trabalho para estudo.
“Todos temos forças para além daquelas que julgamos ter. É, pois, quando estamos fracos que escolhemos ser fortes.”
(José Luís Nunes Martins)
RESUMO
Este trabalho consistiu num estudo teórico sobre a cementação sólida, suas vantagens e limitações, e estudo experimental sobre a viabilidade de realizar o tratamento de cementação em aços SAE 1020. No estudo teórico, buscou-se um aprofundamento do conhecimento quanto às propriedades microestruturais em função do teor de carbono por meio da cementação sólida, de que forma as propriedades mecânicas são modificadas com este tratamento, bem como as microestruturas que podem ser obtidas com a cementação e tratamentos térmicos subseqüentes. Na parte experimental, foi realizado o tratamento de cementação sólida em amostras do aço SAE 1020, utilizando o pó para cementação da marca Carbografite submetidas a diferentes tempos de tratamento, à temperatura de 900ºC, seguidos de têmpera. Em seguida foram feitas medições de dureza na superfície cementada, a fim de avaliar viabilidade de cementação do aço SAE 1020 e, neste caso, em qual tempo de tratamento térmico houve o maior incremento de dureza. As medições de dureza foram analisadas estatisticamente por um teste de hipóteses. Os resultados permitiram caracterizar que é possível cementar o aço SAE 1020, uma vez que foi possível obter o maior incremento de dureza de até 66,63 HRC para o tempo de 4 horas. A análise estatística permitiu ainda, demonstrar, para uma confiabilidade de 99,8%, que houve decréscimo da dureza a partir das 6 horas de tratamento. Complementarmente, observou-se descarbonetação nos tratamentos de duração de a partir de 6 horas de tratamento até as 10 horas. Após análise metalográfica, estudo na literatura, foi possível constatar que essa descarbonetação ocorreu a medida que o produto utilizado, ao se consumir completamente, deixou a amostra exposta a atmosfera do forno, propiciando que a peça sofresse perda considerável de carbono na superfície.
Palavras-chave: Difusão; Cementação sólida; Dureza; Tempo.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Gradiente de carbono no aço 1022 cementado a gás, a 920ºC. ... 22 Figura 2 – Perfil de microdureza de uma barra de aço 8620 de 16 mm após tratamento de cementação a gás em 925 °C. ... 25 Figura 3 – Aço AISI 4340 aquecido a 830ºC em atmosfera oxidante. Apresenta descarbonetação superficial severa. ... 26 Figura 4 – Análise gráfica do tratamento de esferoidização do aço SAE 52100. ... 28 Figura 5 – a) Microestrutura na superfície do fio-máquina do aço SAE 52100 proveniente do processo de laminação a quente. b) Microestrutura na superfície do fio-máquina do aço SAE 52100 após transformações decorrentes do tratamento térmico de esferoidização apresentando descarbonetação. ... 29 Figura 6 – Diagrama de fases ferro-carbeto de ferro. ... 30 Figura 7 – Fotomicrografia mostrando a microestrutura martensítica. Ampliação de 1220×. . 31 Figura 8 – Diagrama TRC do aço 1020. ... 32 Figura 9 – Diagrama apresentando a relação entre dureza, percentual de carbono e quantidade da martensita em um aço. ... 33 Figura 10 – Perfil de microdureza do aço SAE 1020 cementado à temperatura de 870 ºC durante 2 horas. ... 34 Figura 11 – Perfil de microdureza do aço SAE 1020 cementado à temperatura de 870 ºC durante 4 horas. ... 35 Figura 12 – Percentual de Carbono para o aço SAE 1020 cementado durante 2 horas à temperatura de 870ºC. ... 35 Figura 13 – Possibilidade de formação de trinca em função da taxa de resfriamento. ... 38 Figura 14 – Diferença dos perfis de microdureza no aço AISI 1018 para os casos em que este foi temperado convencionalmente e intensivamente. ... 39 Figura 15 – Diferença dos perfis de microdureza no aço AISI 8620 para os casos em que este foi temperado convencionalmente e intensivamente. ... 40
Figura 16 – Perfis de microdureza para os aços AISI 1018 e AISI 8620 temperados intensivamente. ... 40 Figura 17 – Região crítica no gráfico de teste bilateral. ... 44 Figura 18 – Esquema para aceitação da hipótese H0, onde para ser rejeitado F > f2 ou ainda F
< f1. ... 47 Figura 19 – Representação das vistas da caixa metálica com suas dimensões. ... 50
LISTA DE FOTOGRAFIAS
Fotografia 1 – Representação em escala da amostra após usinagem. ... 49 Fotografia 2 – Caixas metálicas onde foram armazenadas as amostras que passaram pelo tratamento de cementação. ... 50 Fotografia 3 – a) Amostras dispostas lado a lado com a primeira camada de pó. b) Segunda e última camada de pó inserida dentro da caixa. c) Caixa tampada já pronta para ser imersa dentro do forno. ... 51 Fotografia 4 – Amostras após a realização do ensaio de dureza. ... 53
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 – Variação de dureza em função do tempo de tratamento de cementação sólida. ... 54
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Valores de Q e D0 do carbono no ferro CFC e CCC. ... 17
Tabela 2 – Valores tabelados da função erro. ... 18
Tabela 3 – Composição química em %peso máxima do aço SAE 1020 de acordo com a norma SAE J403. ... 19
Tabela 4 – Amostras e tratamentos realizados no experimento. ... 48
Tabela 5 – Tabela refinada da função erro, com números de Z do 0 ao 0,8. ... 66
Tabela 6 – Tabela refinada da função erro, com números de Z do 0,8 ao 1,6. ... 66
Tabela 7 – Tabela refinada da função erro, com números de Z do 1,61 ao 2,4. ... 67
Tabela 8 – Tabela refinada da função erro, com números de Z do 2,41 ao 2,8. ... 67
Tabela 9 – Medições de dureza das amostras. ... 68
ÍNDICE
1 INTRODUÇÃO ... 14
2 OBJETIVOS ... 15
2.1 OBJETIVO GERAL ... 15
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 15
3 REFERENCIAL TEÓRICO ... 16
3.1 ENDURECIMENTO POR DIFUSÃO ... 16
3.2 AÇO SAE 1020 ... 19
3.3 CEMENTAÇÃO E CEMENTAÇÃO SÓLIDA (OU EM CAIXA) ... 20
3.3.1 Descarbonetação ... 25
3.4 MICROESTRUTURA E PROPRIEDADES DO AÇO CEMENTADO ... 29
3.4.1 Relação entre dureza, percentual de carbono e quantidade de martensita ... 33
3.4.2 Ação do tamanho do grão no comportamento de um aço cementado ... 36
3.5 TRATAMENTOS TÉRMICOS E MEIOS DE TRATAMENTO NA CEMENTAÇÃO ... 36
3.5.1 Têmpera ... 36
3.5.2 Têmpera intensiva em aços cementados... 38
3.5.3 Efeito da agitação na têmpera ... 41
3.6 TESTE DE HIPÓTESES ESTATÍSTICO ... 42
3.6.1 Teste de diferença entre duas médias ... 43
3.6.1.1 Amostras independentes com variâncias desconhecidas e iguais ... 43
3.6.1.2 Amostras independentes com variâncias desconhecidas e diferentes ... 45
3.6.1.2 Teste de verificação da igualdade ou diferença das variâncias ... 46
4 MATERIAIS E MÉTODOS ... 48
4.1 USINAGEM E OBTENÇÃO DAS AMOSTRAS ... 48
4.2 CAIXAS METÁLICAS E MEIO FORNECEDOR DE CARBONO ... 49
4.3 ESPECIFICAÇÕES E PROCEDIMENTOS DO TRATAMENTO TERMOQUÍMICO E TÊMPERA ... 51
4.4 MAQUINÁRIO E FERRAMENTAS UTILIZADAS ... 52
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 54
5.1 ENSAIOS DE DUREZA ... 54
6 CONCLUSÕES ... 58
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 59
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 60 ANEXO A – TABELAS REFINADAS DA FUNÇÃO ERRO. ... 66 ANEXO B – TABELA DE MEDIÇÕES DE DUREZA COM RESPECTIVOS
TEMPOS. ... 68
1 INTRODUÇÃO
Os processos de difusão atômica são largamente utilizados nos tratamentos térmicos de diversos tipos de peças que requerem dureza elevada, mas ao mesmo tempo, tenacidade alta no núcleo/corpo da peça, como por exemplo, engrenagens, catracas, dentes de escavadeira, entre outras.
São inúmeras as vantagens de se incorporar um determinado tipo de aço em processos de difusão, das quais podemos citar: aumento da vida útil do material, maior resistência ao desgaste, à fadiga, à oxidação em altas temperaturas, à tração, à corrosão, entre outras propriedades.
Um dos enfoques principais do estudo do presente trabalho foi o processo termoquímico conhecido como cementação sólida. Esse tipo de cementação consiste em transportar matéria através da matéria por meio da difusão sólida, tendo como fatores que a auxiliam: a temperatura, o tempo, o teor de carbono e outras que foram tratadas no decorrer deste trabalho. A matéria que se difunde, no caso da cementação, é o carbono.
Nas maiores indústrias, são preferíveis meios líquidos e gasosos para a realização de tratamentos termoquímicos, por conta da maior velocidade do processo quando realizado com esses fluidos como meios. A cementação sólida não é indicada para peças que necessitam de um controle rigoroso da qualidade do material e também da camada cementada, visto que não é possível chegar a uma profundidade de menos de 0,6 mm de camada cementada por conta das dificuldades de controle do processo.
Também foi foco do estudo entender sobre os tratamentos térmicos que são realizados após a cementação, como a têmpera, por exemplo, e de que forma esta pode influenciar na dureza alcançada da peça.
Por meio de um procedimento experimental realizado em laboratório capacitado, foram realizados tratamentos de cementação sólida prosseguidos de têmpera em amostras do aço SAE 1020, tendo-se realizado medições de dureza nas amostras com os procedimentos adequados para este, e um estudo comparativo das médias de dureza por meio de análises estatísticas com objetivo de concluir se houve um aumento significativo ou não da dureza da camada superficial de acordo com o que estiver especificado em literatura.
2 OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GERAL
Analisar a viabilidade de realização da cementação sólida em aços SAE 1020 e a influência do tempo de realização deste tratamento sobre a dureza da camada cementada.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Estudo teórico sobre a cementação sólida para um aprofundamento do conhecimento quanto as vantagens e limitações deste tratamento em aços carbono.
• Analisar a viabilidade de realizar cementação sólida do aço SAE 1020.
• Analisar a influência do tempo de tratamento sobre o incremento de dureza na superfídie das amostras de aço SAE 1020.
3 REFERENCIAL TEÓRICO
No tópico a seguir, será apresentado o estudo sobre o conceito de difusão sólida, fenômeno objeto de estudo deste trabalho, bem como discutidas as variáveis que influenciam no processo. Neste tópico também é apresentado visão sobre diversos trabalhos de cementação, para embasamento das discussões dos experimentos deste trabalho e aprofundamento do conhecimento sobre o tratamento de difusão sólida em aços
3.1 ENDURECIMENTO POR DIFUSÃO
O processo difusional, ou seja, de transferência de matéria de um material para outro, é comumente empregado na metalurgia de materiais, já que a mesma pode ser aproveitada para alcançar objetivos específicos, como alterar as propriedades mecânicas de um material apenas em sua superfície. É o caso de ser necessário que o núcleo e casca de uma certa peça possua propriedades mecânicas antagônicas, e isso é bastante comum quando se fala em peças como engrenagens e catracas.
De acordo com Santos (2006), a difusão pode ser entendida como o transporte de átomos ou moléculas que é estimulado por meio da agitação térmica destes, ocorrendo assim o deslocamento de massa de uma região com alta concentração para outra com baixa concentração, devido a ter havido assim um gradiente de concentração..
O endurecimento de uma superfície por meio da difusão envolve modificação parcial e localizada da composição química. Este é considerado termoquímico, pois é necessário utilização uma determinada quantidade de calor para que a difusão seja realizada. A profundidade atingida pela difusão possui uma dependência de tempo e temperatura: quanto maior o tempo de difusão e temperatura da qual esta ocorre, maior a profundidade atingida.
Essa relação pode ser vista através da Equação (1) (LAMPMAN, 1991):
∝ (1)
Onde a relação com a temperatura se da a partir da constante difusiva K, da qual depende da temperatura, da composição química do aço e ainda do gradiente de concentração de uma determinada espécie difusiva. K aumenta de forma exponencial como função da temperatura.
Os gradientes de concentração, de outra forma, vão depender das reações do processo que está ocorrendo e da cinética superficial (LAMPMAN, 1991).
Os métodos para que se consiga endurecimento por difusão estão relacionados com diversas espécies difusivas, da qual o presente trabalho utilizou o carbono com o intuito de se conseguir uma maior dureza por meio da difusão.
O incremento de carbono pode ser conseguido em forma de um produto gasoso, líquido ou sólido. São diferenças entre os processos de difusão e entre a forma da qual o meio fornecedor da espécie difusiva que irão apresentar variações na dureza adquirida e na profundidade difundida (LAMPMAN, 1991).
A difusão de carbono através de um material é influenciada por três fatores principais:
a temperatura, potencial de carbono e o tempo do qual ocorre a difusão (BAUMGARTEN, 2003).
A aptidão com a qual irá ocorrer a difusão será representada por meio do coeficiente de difusão (D), do qual é definido a partir da Equação (2):
= (2)
Onde:
D = Coeficiente de difusão;
D0 = Constante do sistema entre o material difusível e o hospedeiro (m²/s) (está relacionada com a periodicidade que os átomos saltam de uma posição para outra e também à distância a ser trilhada);
Q = Energia de ativação para difusão (J/mol);
R = Constante molar dos gases = 8,31 J/mol.K;
T = Temperatura (K)
Através da Equação (2), é possível notar que o coeficiente de difusão depende do inverso da temperatura de maneira linear. Na Tabela 1, é possível verificar alguns valores da energia de ativação para difusão (Q) e também da constante do sistema (D0) referentes ao carbono no ferro CFC e CCC.
Tabela 1 – Valores de Q e D0 do carbono no ferro CFC e CCC.
Soluto Solvente D0
(cm²/s)
Q
(cal/mol) Difusão intersticial
Carbono Ferro CFC 0,23 32.900
Carbono Ferro CCC 0,011 20.900
Fonte: Adaptada de ASKELAND & PHULÉ, 2003.
Através da Segunda Lei da difusão de Fick, foi obtida uma equação que descreve o perfil de distribuição do material difusível em uma matriz aleatória (SILVA & MEI, 2010):
C , = ! " ! # ∙ erf ( x
2 ∙ √D ∙ t. (3)
Dos quais,
= Concentração do material difusível na superfície;
= Concentração inicial constante em todo o material hospedeiro;
/,0 =Concentração em um determinado ponto x no sólido após um tempo t;
/
1√2∙0 = Função erro.
A sigla erf é intitulada como função erro. A função erro de certa variável z é propiciada pela equação (8) (SANTOS, 2006, p. 165-168):
"3# = 2
√45 6 "!7 1# (4)
A função também é regida pelas propriedades abaixo:
"0# = 0 "∞# = 1 "!∞# = !1 "!3# = !erf "3#
Um montante de valores da função erro está apresentado na Tabela 2.
Tabela 2 – Valores tabelados da função erro.
Fonte: CALLISTER & RETHWISCH, 2013. p. 110.
Um refinamento desta tabela, a fim de se dispensar procedimentos de interpolação, pode ser feito a partir da equação (8), da qual foi feita pelo grupo de pesquisa do qual estou inserida. A tabela foi refeita com intervalos de um centésimo para o valor de z. Esta tabela pode ser encontrada no Anexo A.
O tópico a seguir retrata particularidades do aço SAE 1020 utilizado da experimentação deste trabalho, como por exemplo: suas características, faixa de composições fornecidas por norma, meio de resfriamento mais recomendável após realização de tratamentos térmicos, entre outros.
3.2 AÇO SAE 1020
De acordo com o Catálogo da Gerdau (2017) o aço SAE 1020 é um aço carbono bastante comum e aplicado em tratamentos como cementação e também com um notável custo benefício quando este é comparado com outros aços com mais elementos de liga em sua composição. Possuem sublimes plasticidade e soldabilidade. Também é muito utilizado em componentes como engrenagens, eixos, virabrequins, colunas, catracas, etc.
É um aço de baixo teor de carbono e para carbonetação o 1020 é o aço mais comum para este tratamento. Alcançam até 700Mpa de resistência em seu núcleo e são também aplicados neste caso para pequenas engrenagens para trabalhos mais leves em que a resistência ao desgaste é a característica mais notável. Quando passam por processos de carbonetação exigem, de forma geral, têmpera em água, afora quando apresentados em proporções menores (SILVA & MEI, 2010).
De acordo com a norma SAE J403 (2014), existem alguns limites de elementos de liga que devem ou podem conter no aço SAE 1020 e estes estão apresentados na Tabela 3.
Tabela 3 – Composição química em %peso máxima do aço SAE 1020 de acordo com a norma SAE J403.
SAE
Composição química (%)
C Mn P S
1020 0,18-0,23 0,30-0,60 ≤ 0,030 ≤ 0,050
Fonte: SAE J403 (2014)
No tópico a seguir foi introduzida a particularidade da cementação e cementação sólida. Serão apresentadas suas aplicações, faixas de temperatura que são possíveis à realização do processo e também o grau de concentração de carbono nos aços que são normalmente utilizados para serem cementados.
Também serão apresentados os mecanismos da cementação sólida e também quaissão suas vantagens e desvantagens.
3.3 CEMENTAÇÃO E CEMENTAÇÃO SÓLIDA (OU EM CAIXA)
A cementação é normalmente composta de duas etapas. Primeiro realiza-se o tratamento de difusão entre o carbono e o aço durante o tempo necessário para se atingir a concentração desejada de carbono na peça, e, posteriormente, e de forma opcional, realiza-se o processo de tratamento térmico de têmpera (CHIAVERINI, 2012; SILVA & MEI, 2010).
Com a têmpera, o material obterá estrutura martensítica na superfície, onde sofreu aumento de concentração de carbono, enquanto que as regiões mais distantes da superfície continuarão com perlita ou ferrita, ou ainda, ferrita e perlita, dependendo do material que esteja sendo trabalhado. É desejável se obter a fase martensítica na superfície do material por esta ser uma fase extremamente dura, resistente ao desgaste, fadiga e, portanto, preferível para a superfície do material que está sendo processado (CHIAVERINI, 2012; SILVA & MEI, 2010).
As aplicações mais comuns utilizando o processo de cementação são em peças que exijam dureza elevada na superfície, quando sofrem desgaste abrasivo, de fricção e principalmente de fadiga, e núcleo tenaz para suportar solicitações mecânicas trativas, flexivas e torcivas (LOGUERCIO, 2013).
Silva & Mei (2010, p. 152) descrevem que as temperaturas em que geralmente são realizados os processos de cementação são entre 815ºC e 950ºC, enquanto que Araújo e Rosa (2013) apontam que as temperaturas utilizadas para o processo são de geralmente 850ºC a 950ºC, pois é nesta faixa que o ferro está na sua forma alotrópica gama, ou seja, austenita, e destacam ainda que é possível elevar o teor de carbono nesses materiais numa faixa que vai de 0,8%-1,0%.
Kates (1970, apud LOGUERCIO, 2013) explica que, acima de 950°C, alguns usuários identificaram crescimento excessivo do grão, distorção resultante do aquecimento não- uniforme da carga e ainda dificuldade de controle da concentração de carbono.
Mesmo que haja um intervalo de temperatura especificado, e não seja recomendado o tratamento acima de 950ºC, na maioria dos casos, ainda assim é permitido alcançar uma temperatura de processamento de até 1000ºC, com a utilização de técnicas mais inovadoras, sem que seja criado nenhum problema estrutural (CHIAVERINI, 2012, p.136).
Os aços escolhidos normalmente para serem submetidos ao processo de cementação são os aços-carbono e os aços baixa liga. Os dois tipos possuem baixo teor de carbono, entre 0,08% e 0,40%. Os aços baixa liga possuem um baixo teor de elementos de liga e, após o processo de cementação, seu núcleo adquire uma tenacidade mais elevada do que os aços- carbono (LOGUERCIO, 2013, p. 5).
As variáveis temperatura, tempo e teor de carbono são cruciais no processo de cementação. O inverso da temperatura afeta o processo difusional variando o coeficiente de difusão de forma linear, como foi visto na equação (1.b). O modo que o tempo e o teor de carbono influenciam no processo de cementação pode ser visto na equação (15). O teor de carbono influencia no processo difusional de forma linear, enquanto o tempo e o coeficiente de difusão influenciam de forma exponencial.
Assim como a temperatura, quanto maior o tempo do processo, maior também será a quantidade de carbono difundida para a peça. O teor de carbono inicial da peça deve ser algo em torno de até 0,3% para que a cementação seja efetiva, já que isso causará um aumento do gradiente de concentração entre o meio difusível e o material hospedeiro (carbono e aço, respectivamente). Este é o motivo pelo qual os aços baixa liga e os aços baixo carbono, que possuem um teor de carbono que inicia de 0,08%, sejam tão efetivos. Com um teor tão baixo assim, o gradiente de concentração será ainda mais elevado, facilitando assim a difusão do carbono (LOGUERCIO, 2013). A Figura 1 mostra como o percentual de carbono em peso varia com a profundidade a partir da superfície em um aço 1022 em função do tempo.
Figura 1 – Gradiente de carbono no aço 1022 cementado a gás, a 920ºC.
Fonte: SILVA & MEI, 2010.
Além das variáveis apontadas, existem outros fatores dos quais a velocidade da difusão do carbono dependerá, como: (CHIAVERINI, 2012, p. 130-131)
• Coeficiente de difusão do carbono no aço – Como a cementação é um processo de difusão, o coeficiente de difusão é um fator crucial para a determinação da velocidade do fluxo de carbono no aço. Este coeficiente é função da temperatura e da concentração de carbono. A equação (1) do coeficiente de difusão tem valores de D0 e Q já tabelados para o caso de se ter o carbono como soluto e a austenita como solvente, em uma temperatura de varia de 900ºC a 1050ºC, onde D0 = 0,15 ;<² e Q = 32,4 >;?@
<A@.
• Concentração de carbono na austenita – A diferença de concentração do meio fornecedor de carbono, que estaria na superfície da peça, para o núcleo da peça, forma um gradiente de concentração de carbono, já que a diferença percentual de carbono entre os dois locais é grande. Usando este fato como base é possível afirmar que a velocidade da difusão será incrementada com crescentes concentrações de carbono.
Um aspecto apontado por Colpaert (2008, p. 319-320) que influencia o processo de entrada do carbono no aço foi com relação ao meio em que o aço é carbonetado. Alguns dos meios mais comuns são o sólido, líquido e gasoso, mas também existem cementação a vácuo, e ainda a plasma. Como o carbono reage quimicamente com cada meio, isso irá determinar de forma crucial o processo difusional do carbono no aço. Neste trabalho, somente a cementação sólida possui relevância em conceitos e seus aspectos, pois é utilizada por meio da experimentação que foi proposta.
No caso da cementação sólida, por este ser um processo sujo que deixa muitos resíduos, é recomendado que seja feita a limpeza da peça após o processo de cementação para que só então a têmpera seja realizada, não sendo assim recomendado que seja feita a têmpera direta (CHIAVERINI, 2012, p.136).
A cementação sólida consiste basicamente num processo onde peças de aço são submetidas a tratamento de difusão do carbono através de caixas metálicas, usualmente feitas de aço-liga que resiste ao calor, onde são sujeitas a misturas carburizantes, donde irá haver formação do gás monóxido de carbono (CO), e do qual irá reagir com a austenita do ferro, havendo assim incremento do carbono na superfície da peça (CHIAVERINI, 2012, p. 134).
As misturas mais comuns para realizarem o processo de cementação sólida apresentam carvão de madeira, do qual é acompanhado de 5% a 20% de determinada substância ativadora e também de um óleo comum ou óleo de linhaça, numa proporção de algo em torno de 5% a 10%. O carvão madeira é utilizado e preferível pela sua pureza, onde ainda possui baixo teor de enxofre. Os ativadores mais utilizados são carbonatos alcalinos ou ainda alcalino-ferrosos, sendo este último mais comum e mais empregado em mistura com carbonato de sódio (CHIAVERINI, 2012, p. 134).
A profundidade da camada cementada na cementação sólida pode variar de 0,6 a 2 mm, ou mais, sendo difícil cementar menos que 0,6 mm pelas dificuldades de controle do processo. Mesmo nas melhores condições, dificilmente é possível obter uma espessura na superfície que varie de menos do que 0,25 mm do máximo ao mínimo. A profundidade é medida através da dureza (CHIAVERINI, 2012, p. 136).
O material utilizado nas caixas para o procedimento é usualmente aço carbono com revestimento de alumínio, e esse revestimento é o que faz com que as caixas aumentem consideravelmente sua vida útil. Quando não utilizado um revestimento, caixas de aço carbono possuem a vida útil bastante curta, principalmente quando comparadas as de aço inoxidável. Mesmo assim, por possuírem o custo mais elevado do que as de aço carbono com revestimento em alumínio, esta última é a mais utilizada hoje em dia para este tipo de tratamento (CHIAVERINI, 2012; SILVA & MEI, 2010). Quando se trata de experimentos de cunho acadêmico, se busca caixas com o menor custo possível, já que a quantidade de tratamentos por caixa será muito pequena, fazendo com que as de aço carbono sejam as mais recomendadas neste caso.
Para se compreender quão vantajoso é o processo de cementação sólida, são enunciadas vantagens e desvantagens (CHIAVERINI, 2012; SILVA & MEI, 2010).:
a) Vantagens
• Como não exige o uso de uma atmosfera controlada, é possível utilizar uma grande variedade de fornos;
• Para os casos de produção de pequenos lotes, ou ainda peças de grande dimensionamento, este mecanismo é eficaz e acessível;
• O apoio da peça na mistura carburizante é feito de tal modo que diminui aptidão da peça em empenar;
• Para as peças que necessitem de uma usinagem posterior à cementação e anterior à têmpera, este procedimento é ideal, pois o resfriamento pós-cementação ocorre de forma lenta e possibilita desta forma reparos.
b) Desvantagens
• Em comparação com os outros métodos, é o menos limpo;
• Para aquelas peças que necessitam de camadas cementadas finas, é necessário o uso de outro método, já que esse não permite a obtenção de tais camadas com espessura controlada;
• Não é o método mais indicado para que se tenha um controle minucioso do carbono na superfície e do gradiente de carbono na peça;
• O volume tanto da caixa quanto das misturas carburizantes causa uma diminuição nas velocidades de resfriamento e aquecimento, resultando neste caso num tempo de operação maior;
• Com a dificuldade de se retirar a peça da caixa após a cementação, não é recomendado ser realizada a têmpera direta.
Dadas às desvantagens apresentadas, este mecanismo de cementação não é muito utilizado para peças que necessitam de um controle rigoroso da qualidade do material e camada cementada. Mas, por ser um processo simples e prático, é bastante utilizado em oficinas e pequenas indústrias para aplicação em ferramentas, peças, entre outros (CHIAVERINI, 2012).
O objetivo da cementação é produzir uma camada de elevada dureza e alto teor de carbono com um núcleo tenaz de baixo-médio teor de carbono. Isso é conseguido por meio da difusão do carbono na austenita e através dela da superfície em direção ao núcleo, o que gera dessa maneira um gradiente de dureza. A austenita é então temperada, fazendo assim com que gere um gradiente entre diferentes microestruturas na peça, desde mais frágeis em locais mais próximos da superfície, até mais tenazes indo em direção ao núcleo (ASM , 1991). A Figura 2 apresenta o perfil de dureza numa barra de aço 8620 após tratamento de cementação a gás,
mostrando como a dureza varia desde em torno de 800 HV na superfície até 490 HV a uma profundidade de 1,6 mm em direção ao núcleo.
Figura 2 – Perfil de microdureza de uma barra de aço 8620 de 16 mm após tratamento de cementação a gás em 925 °C.
Fonte: ASM, 1991.
3.3.1 Descarbonetação
A descarbonetação é um fenômeno de perda de carbono na superfície de materiais ferrosos dos quais passaram por procedimentos de aquecimento provindos da fabricação dos mesmos ou ainda para modificar suas propriedades mecânicas (SAE J 419, 1983). Esta normalmente ocorre quando não são tomadas as devidas precauções com a atmosfera da qual o material esta inserido durante o processo de aquecimento, favorecendo desta maneira a descarbonetação do aço (COLPAERT, 2008).
O motivo da ocorrência da descarbonetação é devido a que, quando o aço está austenitizado durante um processo que envolve seu aquecimento, o carbono possui elevada mobilidade, fazendo assim com que este migre para o meio com menor concentração de
carbono. Se o caso for que a atmosfera envolvida esteja pobre em carbono, este elemento irá migrar da peça para a atmosfera, promovendo a descarbonetação (COLPAERT, 2008).
O oxigênio presente na atmosfera do forno também reage com a maioria dos metais para formar óxidos. Este ainda reage com o carbono dissolvido no aço, ocorrendo assim a descarbonetação por conta da redução da quantidade de carbono superficial. Por conta desse fator, um produto bastante comum devido a reações de oxidação e decorrente descarbonetação é o monóxido de carbono (CO) (ASM, 1991).
O ar é um gás de extrema importante na atmosfera de fornos para tratamento térmico, pois é este que estará presente nos fonos que não utilizam atmosferas protetoras e porque é o constituinte predominante em atmosferas preparadas. Sua composição é de 79% de nitrogênio e de 21% de oxigênio, com traços de dióxido de carbono, um poderoso oxidante. Porém, o ar se comporta como uma atmosfera rica em oxigênio, sendo este seu componente mais reativo (ASM, 1991).
Conforme a norma SAE J 419 (1983), a descarbonetação pode ser de três tipos distintos:
• Descarbonetação completa: perda completa de carbono;
• Descarbonetação parcial: qualquer perda de carbono mensurável que seja menor do que a completa, em relação a porcentagem de carbono do material de base;
• Descarbonetação eficaz: qualquer perda de carbono mensurável que resulte em propriedades mecânicas abaixo das especificações mínimas aceitáveis para um material endurecido.
A Figura 3 mostra um perfil de um aço com descarbonetação superficial.
Figura 3 – Aço AISI 4340 aquecido a 830ºC em atmosfera oxidante. Apresenta descarbonetação superficial severa.
Fonte: COLPAERT, 2008.
Os métodos mais comuns para a medição da descarbonetação são: microscopia, medição de dureza e ainda por análises químicas. O quão preciso será o método a ser utilizado vai depender do grau de descarbonetação, a microestrutura apresentada e o percentual de carbono do aço em questão. O método metalográfico é bastante preciso para a maioria dos metais recozidos e laminados a quente, mas ineficaz quando utilizado para pequenos percentuais de descarbonetação em aços com alto teor de carbono (acima de 0,6%) e elevada dureza. O método de medição de dureza também é ineficaz neste último caso e quando este se apresenta deve ser utilizado o método de análise química (SAE J 419, 1983).
Colpaert (2008) ainda recomenda que, para evitar a ocorrência da descarbonetação, deve-se utilizar atmosferas específicas e em que o potencial químico do carbono seja ajustado para que esteja em equilíbrio com o aço. Conhecendo as formas de realização da cementação sólida, não é possível um controle eficaz da atmosfera, sendo isso só possível em cementações líquidas e sólidas.
Sistemas de atmosfera de nitrogênio comercial também são bastante empregados em indústrias de tratamento térmico, pois o nitrogênio serve como gás puro e inerte que promove uma eficiente purga no interior do forno, diminuindo desta maneira a ocorrência de descarbonetação (ASM, 1991).
No trabalho de dissertação de Minella (2009), foi realizado um estudo da descarbonetação em aços baixa liga no tratamento térmico em atmosfera controlada. Um dos ensaios feitos foi de esferoidização para o aço SAE 52100, que possui 1,01 %C, com área de 323 m², purgas de N2 e temperatura variando como pode ser visto na Figura 4.
Figura 4 – Análise gráfica do tratamento de esferoidização do aço SAE 52100.
Fonte: MINELLA, 2009.
O aumento da porcentagem de CO faz com que a concentração de oxidante não seja nula durante o tratamento térmico. Há um aumento de CO até certo ponto, onde começa a decrescer juntamente com a diminuição da temperatura. A medição de oxigênio no forno obteve um comportamento similar ao da Figura 4, aumentando até certo ponto, onde então começa a cair juntamente com a temperatura (MINELLA, 2009).
Ainda em sua dissertação, Minella (2009) registrou microestruturas próximas a superfície do fio-máquina do material apenas no estado laminado e do material tratado termicamente. A Figura 5 mostra imagens referentes as microestruturas da superfície do material no estado laminado e após o tratamento de esferoidização.
Figura 5 – a) Microestrutura na superfície do fio-máquina do aço SAE 52100 proveniente do processo de laminação a quente. b) Microestrutura na superfície do fio-máquina do aço SAE 52100 após transformações decorrentes do tratamento térmico de esferoidização apresentando descarbonetação.
Fonte: Adaptado de MINELLA, 2009.
Na Figura 5-b) as esferoiditas são pequenas e são apresentadas regiões com perda quase total de carbono, liberado na forma de CO que foi detectado nas medições realizadas no experimento de Minella (2009). Ele então concluiu que as purgas de vazões baixas de N2 não foram suficientes para retirar todo o oxidante condito no forno e que pequenas quantidades de oxigênio são suficientes para provocar oxidação do carbono de um aço como o SAE 52100.
Outra conclusão que se pode ter analisando o trabalho é que o percentual de CO é maior quando a temperatura do forno é maior, aumentando desta forma a descarbonetação.
No tópico a seguir, serão tratadas as propriedades que estão relacionadas com a microestrutura do aço cementado. Será visto como o teor de carbono influencia nessa microestrutura e quais suas características. Serão apresentadas as propriedades mecânicas e como são formadas tensões residuais no interior da microestrutura.
O tópico a seguir também irá tratar a relação do tamanho do grão da microestrutura no comportamento do aço cementado.
3.4 MICROESTRUTURA E PROPRIEDADES DO AÇO CEMENTADO
Um diagrama de temperatura em função do teor de carbono define as fases que poderão aparecer, ou se transformarem em condições de equilíbrio metaestável, no ferro e este é o diagrama ferro-carbono que está apresentado na Figura 6.
Figura 6 – Diagrama de fases ferro-carbeto de ferro.
Fonte: CALLISTER & RETHWISCH, 2013.
Em processos de cementação, o aço deve ser austenitizado para que um percentual considerável de carbono possa se difundir no aço. Isso ocorre pelo fato da austenita ser uma fase que suporta uma solubilidade máxima de carbono de até 2,11% a 1148ºC (SILVA &
MEI, 2010). Para um aço SAE 1020, a partir do diagrama Fe-C, a temperatura de austenitização desse aço será a partir de 850ºC, enquanto que, para um aço eutetoide, a temperatura de austenitização será a partir de 727ºC.
A velocidade com que um aço é resfriado irá influenciar na quantidade de fases que serão apresentadas por ele. Em resfriamentos muito lentos, ou associados a baixos teores de carbono, uma ou duas fases poderão ser apresentadas por meio da decomposição da austenita:
ferrita, perlita e ainda cementita, dependendo do teor de carbono que esteja presente no aço.
Para resfriamentos mais rápidos, outras fases que não são previstas no diagrama de fases ferro-carbeto de ferro aparecem, como a bainita e a martensita (SILVA & MEI, 2010).
A ferrita (α) é uma fase existente que, diferente da austenita, possui uma solubilidade de carbono muito baixa, de até 0,02% a 727ºC, e esta fase também apresenta ductilidade apreciável. Já a cementita (Fe3C) é um carboneto de ferro que possui estrutura ortorrômbica e também alta dureza. A fase α + Fe3C indicada no diagrama de fases se refere a uma mistura das fases ferrita e cementita da qual se denomina perlita, da qual possui propriedades intermediárias entre a cementita e a ferrita (SILVA & MEI, 2010).
Para aços cementados, a estrutura martensítica é considerada a de maior relevância, já que é ela que trará uma elevada dureza para a camada cementada. Ela é uma fase que está associada ao resfriamento brusco da austenita, que pode ser conseguido através de têmpera, e que se forma por cisalhamento sem mudança na composição química, ou seja, sem que ocorra difusão (SILVA & MEI, 2010).
A martensita pode ocorrer na forma de ripas, quando o aço em questão possui menor teor de carbono, ou ainda de agulhas, quando os aços possuem um teor de carbono mais elevado (SILVA & MEI, 2010). A Figura 7 apresenta uma estrutura martensítica típica formada na região superficial de aços que foram cementados e temperados. A martensita de alto carbono é caracterizada pela parte escura, onde sua forma se caracteriza por cristais em forma de placas não paralelas. As regiões brancas são de austenita que ficou retida no material pois não atingiu a temperatura final de transformação martensítica, e é esta austenita que é responsável pelo desempenho dos aços cementados com relação a fadiga (ASM, 1991).
Figura 7 – Fotomicrografia mostrando a microestrutura martensítica. Ampliação de 1220×.
Fonte: CALLISTER & RETHWISCH, 2013.
Para visualizar uma transformação de fase durante o resfriamento, são utilizadas as curvas de Transformação por Resfriamento Contínuo – TRC. Essas curvas são traçadas através de um dilatômetro, que nada mais é do que um equipamento que mede a variação do comprimento da amostra analisada, que ocorre por mudança de temperatura ou por mudança de fase. O aço então é austenitizado e resfriamento a uma taxa de resfriamento constante, sendo possível então se observar as inclinações na curva do comprimento da amostra (SILVA
& MEI, 2010).
Na Figura 8 é apresentado um diagrama CCT do aço 1020, que é o aço utilizado nos experimentos desde trabalho. Por meio do diagrama é possível verificar que seria impossível obter martensita neste material apenas utilizando um tratamento de têmpera, pois a taxa de resfriamento deveria ser muito maior do que 1000ºC/min.
Figura 8 – Diagrama TRC do aço 1020.
Fonte: SILVA & MEI, 2010.
É por meio da comparação desde diagrama com o de outro aços com maior percentual de carbono, como o 1045 e o 1080, que se pode garantir que o aumento percentual de carbono desloca as curvas de transformação martensíica para a direita, fazendo assim com que haja uma maior predisposição em se obter a estrutura martensítica para maiores percentuais, sendo assim necessário uma menor taxa de resfriamento. É por este motivo que, com a cementação sólida, a superfície enriquerida de carbono forma martensita através da têmpera.
As propriedades mecânicas apresentadas na camada cementada estão relacionadas às tensões residuais compressivas que aparecem nesta devido ao gradiente de composição e transformação, e microestrutura de resistência elevada formada por martensita de alto teor de carbono e ainda de austenita retida, da qual seu percentural irá determinar o desempenho da peça, visto que esta fase é bastante dúctil. Essa combinação de fases, em conjunto com as
tensões residuais, irão inserir na camada cementada propriedades apreciáveis e úteis no processo de metalurgia e utilização na indústria, tais como resistência ao desgaste, resistência à fratura por fadiga de contato, impacto e flexão (SILVA, 1997).
3.4.1 Relação entre dureza, percentual de carbono e quantidade de martensita
O objetivido de se utilizar tratamentos térmicos em aços é para tingir uma dureza satisfatória. A fase mais importante então é a martensita, que é o constituinte mais duro que pode aparecer nos aços. A dureza da martensita vai depender principalmente do teor de carbono do material, como pode ser visto na Figura 9. Quando o percentual de martensita diminui, a dureza é menor. Em tratamentos térmicos, é muito importante alcançar dureza total em uma certa profundidade mínima (ASM, 1991).
Figura 9 – Diagrama apresentando a relação entre dureza, percentual de carbono e quantidade da martensita em um aço.
Fonte: ASM, 1991.
No trabalho de dissertação de Baumgarten (2003), este realizou tratamentos de cementação sólida nos aços SAE 1020 e SAE 8620, apresentando condições de cementação, perfil de carbono e microestrutura. Para o aço SAE 1020, este possuía dureza Brinell da ordem de 130 HBW em sua superfície e núcleo. Este valor de dureza é tão baixo que nem ao menos estaria inserido dentro da escala HRC. A Figura 10 mostra o perfil de microdureza do aço 1020 cementado com substratos diferentes.
Figura 10 – Perfil de microdureza do aço SAE 1020 cementado à temperatura de 870 ºC durante 2 horas.
Fonte: BAUMGARTEN, 2003.
Levando em consideração apenas o tratamento utilizando o substrato R 1535 (composto por carvão ativado, carvão reciclado, ligante, lubrificante, plastificante e carbonato de cálcio), é possível verificar que a microdureza Vickers atingiu um valor de 540 mHV1, valor que está em torno dos 52 HRC, só sendo possível atingir um valor tão elevado em um aço SAE 1020 se tivesse havido incremento de carbono na superfície do material, o que realmente ocorreu. Em contrapartida, em profundidade de 1 mm, a microdureza apresentada é de apenas 310 mHV1, o que prova a diferença percentual de carbono adquirido na superfície e em maior profundidade do material. A Figura 11 mostra outro perfil de microdureza do aço SAE 1020 cementado a mesma temperatura, entretando durante um tempo de 4 horas. Para o aço cementando com o mesmo substrato de R 1535, observa-se um acréscimo de microdureza, apresentando agora 690 MHV1, indicando desta forma um aumento de microdureza em função do tempo de cementação.
Figura 11 – Perfil de microdureza do aço SAE 1020 cementado à temperatura de 870 ºC durante 4 horas.
Fonte: BAUMGARTEN, 2003.
Como prova de que realmente houve incremendo de carbono na superfície do material, justificando o incremento de dureza, o autor construiu um gráfico de teor de carbono em função da profundidade. Na Figura 12, é possível verificar que para um tempo de 2 horas de cementação e também tendo o substrato R 1535 como referência, se obteve um percentual de 0,59% de teor de carbono na superfície da peça.
Figura 12 – Percentual de Carbono para o aço SAE 1020 cementado durante 2 horas à temperatura de 870ºC.
Fonte: BAUMGARTEN, 2003.
No tratamento com 4 horas de duração, o teor de carbono na superfície para o mesmo substrato foi de 0,64%, justificando dessa maneira o aumento de microdureza da superfície, mostrando que esse ocorreu devido ao fato de ter ocorrido aumento do teor de carbono.
3.4.2 Ação do tamanho do grão no comportamento de um aço cementado
Parrish (1980, apud CUNHA, 2000) constatou que, para um aço cementado ter um bom desempenho, como em relação a sua resistência a fadiga, dificuldade de propagação de uma trinca, entre outros, é indispensável o fato de que o grão seja refinado e uniforme, com um tamanho mínimo de ASTM 6 à ASTM 8, que é a escala de medição mais difundida do mercado. Para obter essa característica, podem ser adicionados elementos de liga no aço para então estabilizar o movimento dos contornos de grão e também do crescimento dos mesmos, tendo como exemplo o alumínio que inibe o crescimento do grão austenítico. É comum que os grãos de austenita tenham o mesmo tamanho tanto no centro quanto na superfície das peças que passam pelo processo de têmpera após a cementação, mas um reaquecimento anterior ao tratamento de têmpera também irá acarretar num refinamento dos grãos superficiais do material (CUNHA, 2000).
O tamanho grosseiro dos grãos afetam certas propriedades do aço, como o alongamento, resistência à fadiga e a temperatura de transição de impacto, diminuindo ou modificando as mesmas. A disseminação de uma trinca poderá ser favorecida apenas pelo fato do aumento do tamanho de um grão (CUNHA, 2000).
3.5 TRATAMENTOS TÉRMICOS E MEIOS DE TRATAMENTO NA CEMENTAÇÃO
Os tratamentos térmicos têm como objetivo principal mudar as propriedades mecânicas dos materiais dos quais se está trabalhando sem alterar sua composição química.
Isso ocorre normalmente através de mecanismos de aquecimento e resfriamento devidamente ponderados nas faixas de temperaturas mais diversas. No caso dos metais, esses tratamentos trazem modificações na microestrutura dos mesmos, fazendo assim com que haja alteração no tipo, na quantidade, na fração de volume e na estrutura das diversas fases que estão presentes no metal (GIORDANI, 2012; SILVA & MEI, 2010).
3.5.1 Têmpera
A têmpera convencional fundamenta-se no aquecimento do aço até a sua temperatura de austenitização, que é onde irá buscar eliminar os efeitos causados por processos de fabricação realizados, e em seguida um resfriamento rápido do mesmo para evitar
transformações com difusão bainíticas e perlíticas (ARAÚJO, ROSA, 2013; GIORDANI, 2012; SILVA & MEI, 2010).
Os meios para realização do resfriamento são os mais variados e irão depender do tamanho do grão e da homogeneidade da matriz de transformação, do seu teor de carbono e também da presença de elementos de liga em sua composição, além da sua geometria e medidas das peças que serão submetidas ao processo de têmpera. Alguns dos exemplos de meios de têmpera mais comumente usados são: solução de soda cáustica, óleo, água (pura, com sal diluído, ou até mesmo com polímeros diluídos), salmoura, ar e compostos químicos específicos preparados em solução (ARAÚJO, ROSA, 2013). Também podem ser utilizados outros meios gasosos, como nitrogênio, hélio e argônio (SILVA & MEI, 2010).
No processo de aquecimento, o carbono se dilui no ferro gama. A temperatura mínima de aquecimento no tratamento de têmpera deve ser a de austenitização do aço e a máxima, a de crescimento do grão. Os átomos de carbono diluídos no ferro gama serão dispersos nos interstícios da rede cristalina. Ao haver o abrupto resfriamento, os átomos de carbono não conseguem tempo para se difundir. Desta forma, os espaços entre os átomos de ferro não são capazes de acomodar os átomos de carbono sem que haja uma deformação significativa do reticulado. A apresentação da martensita será então de uma estrutura tetragonal de corpo centrada da qual é composta por um movimento de átomos em planos característicos da ferrita. É na fase martensítica que se deseja chegar após o processo de têmpera (GIORDANI, 2012).
Na têmpera convencional, quando se trata de um refrigerante aquoso, neste caso a água, é formado um filme de vapor contínuo ao redor na peça no momento em que o refrigerante entra em contato com a peça em que se encontra em altíssima temperatura. Esse filme de vapor só vai se formar se o meio de resfriamento em questão não for volátil, como, por exemplo, um banho de sal. É possível reprimir esse estágio ainda havendo adição de 5%
de certos saios, como KCL, LiCl (SILVA & MEI, 2010). Esta fase, a de ebulição de filme, é de fato a menos uniforme da têmpera, já que causa a maior parte da distorção do componente (GIORDANI, 2012).
No caso dos aços cementados, a têmpera é aplicada com o objetivo de se ter uma superfície martensítica dura e resistente, enquanto que o núcleo da peça será tenaz (GIORDANI, 2012).
3.5.2 Têmpera intensiva em aços cementados
O motivo de se temperar certas partes do aço é o fato de se procurar obter uma estrutura, na maioria das vezes martensítica, havendo quase nenhuma distorção. No momento em que o aço passa por um processo de têmpera, a partir de certa taxa de resfriamento, quão mais rápido for esse processo, maior é a dureza que será obtida, e também, a dureza irá atingir mais profundamente a peça. Mas, além disso, a maior velocidade de processo de têmpera está relacionada a uma maior probabilidade de distorção e trincamento. No entanto, quando a taxa de resfriamento chega a um valor crítico, a probabilidade de distorção e trinca decai até chegar a um ponto que ela praticamente deixa de existir. Essa relação é mostrada na Figura 13 (GIORDANI, 2012).
Figura 13 – Possibilidade de formação de trinca em função da taxa de resfriamento.
Fonte: GIORDANI, 2012, p. 26.
O fundamento da têmpera intensiva é tornar os aços mais duros utilizando taxas de resfriamento muito elevadas, com o objetivo de alterar o desempenho do material de forma favorável. Uma taxa de resfriamento elevada também está atrelada a uma maior profundidade da peça onde a dureza terá aumento, e isto também irá melhorar as propriedades mecânicas do componente. A têmpera intensiva poderá ser bem aproveitada no caso dos aços cementados, já que esta poderá encurtar os ciclos de cementação (GIORDANI, 2012).
No trabalho de Kimura et al. (2009, apud GIORDANI, 2012), é apresentada a diferença de distribuição de dureza logo após a têmpera convencional e intensiva, das quais
foram analisadas em barras de aço AISI 1018 e AISI 8620. Estas barras foram igualmente cementadas no mesmo forno, com o mesmo potencial de carbono, e também apresentando o mesmo perfil de carbono. Na Figura 14 é mostrada a distribuição de dureza para têmpera convencional e intensiva para o AISI 1018. É importante verificar que a dureza do material irá depender da taxa de resfriamento. A maior profundidade de dureza é apresentada para a barra que passou pelo processo de têmpera intensiva.
Figura 14 – Diferença dos perfis de microdureza no aço AISI 1018 para os casos em que este foi temperado convencionalmente e intensivamente.
Fonte: KIMURA et al., 2009, apud GIORDANI, 2012.
Kimura et al. (2009, apud GIORDANI, 2012) apresenta ainda a Figura 15, que também contem distribuição de dureza, mas agora para o AISI 8620 após os mesmos tratamentos de têmperas convencional e intensiva. Como a temperabilidade do AISI 8620 é maior do que a do AISI 1018, não há variação significativa nos valores da dureza quando se está abaixo de 1 mm de profundidade. Quando se trata então de profundidades acima de 1 mm, por sua vez, há diferença de taxa de resfriamento e consequente diferença na dureza.
Figura 15 – Diferença dos perfis de microdureza no aço AISI 8620 para os casos em que este foi temperado convencionalmente e intensivamente.
Fonte: KIMURA et al., 2009, apud GIORDANI, 2012.
E por fim, a Figura 16 apresentou a distribuição de dureza nos dois aços consecutivamente. A têmpera intensiva trouxe ao aço de menor temperabilidade um perfil de dureza quase igual a um aço de mais alta liga (KIMURA et al., 2009, apud GIORDANI, 2012).
Figura 16 – Perfis de microdureza para os aços AISI 1018 e AISI 8620 temperados intensivamente.
Fonte: KIMURA et al., 2009, apud GIORDANI, 2012.
