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Tratamento Térmico

Quando é preciso modificar as propriedades dos aços, para atender exigências de utilização e usinagem, deve-se submetê-los a tratamentos, que podem ser térmicos ou termoquímicos.

O tratamento térmico é a aplicação combinada de aquecimento e resfriamento, em determinado período de tempo. Segundo a aplicação, classificam-se em: Normalização, Recozimento, Têmpera e Revenido.

O tratamento termoquímico provoca modificação parcial da composição química, através da absorção de alguns elementos como o carbono, nitrogênio e cianetos, normalmente, acompanhados de tratamento térmico.

Normalização

A principal finalidade da normalização é conseguir a melhoria das condições de usinabilidade do aço. Ela funciona como agente que homogeneíza a estrutura cristalina, eliminando os pontos críticos resultantes de trabalhos anteriores. A normalização também prepara o material p[ara outros tipos de tratamento térmico.

Não se deve analisar apenas a dureza do material para saber se a normalização dará usinagem eficiente. A estrutura do material após normalização é que na verdade possibilita a idéia exata das condições da peça para as operações seguintes. Nos aços normalmente usados (S.A.E. 1020 a 1080, 8620, 4140, 4320, 4340, 5130, 5135 ), essa estrutura é constituída de perlita e ferrita, que devem estar:

• Bem distribuídas - homogeneamente repetidas;
• Com grãos de tamanho uniforme;
• Sem intermediários, ou estrutura de Widmastaten;
• Sem alinhamento (o aço S.A.E. 8620 é mais suscetível de apresentar este tipo de estrutura)
• Bem formados com contornos de grão bem definidos.

Variáveis

Para atingir os cinco pontos apresentados, deve-se controlar as seguintes variáveis:
• Temperatura adequada de austenitização conforme o tipo de aço;
• Tempo em temperatura, que é função da maior espessura da peça. Existe regra empírica que recomenda uma hora por polegada de espessura;
• Velocidade de resfriamento, função do tipo de equipamento disponível.
Nota-se facilmente que o terceiro item é mais difícil de controlar, porque é comum colocar-se amontoadas, no chão ou em recepientes, as peças que receberam normalização, ocasionando diferente velocidade de esfriamento para cada peça e originando um lote bastante hetrogêneo.
Se quiser melhorar a situação, empregue câmaras na saída do forno ou vasilhames forrados e tampados com material isolante ( amianto,por exemplo ).

Normalização isotérmica

Durante o resfriamento é que a estrutura do material se transforma de austenita em ferrita e perlita. Se der tempo suficiente, a transformação se realizará numa única temperatura.
Nos aços mencionados como de uso normal, esta temperatura de transformação oscila entre 580ºC e 650ºC. O menor tempo de transformação ( tirado das curvas s) está entre 2 a 4 horas. Como a temperatura de austenitização situa-se em torno de 900ºC, convém esfriar rapidamente o material até 600ºC para que não haja tempo de transformação de alguma austenita.
Dessa maneira pode-se controlar a transformação no resfriamento, variando de mais ou menos 20ºC a temperatura de “passagem”.

Grão grosso

Outro modo de melhorar a usinabilidade dos aços citados é fazer com que eles apresentem grãos de perlita e ferrita entre os tamanhos ASTM 1 a 4, mesmo que se tenha partido de tamanho de grão austenítico 5 a 8, especificado para engrenagens, coroas, eixos.
Este tipo de tratamento, combinado com o isotérmico, forma o Isotérmico Grão Grosso, que é a estrutura especificada por algumas firmas de origem européia para as peças que serão aumentadas depois da usinagem.
Não basta aquecer a peça a 1050ºC ou 1100ºC, precisa-se tomar os cuidados necessários no resfriamento para evitar granulação heterogênea e com bastante intermediário, prejudiciais à vida útil da ferramenta.

Recozimento

Basicamente idêntico à normalização, a recozimento difere dela apenas por exigir menor velocidade de resfriamento e por ser efetuado no próprio forno, que é desligado com as peças dentro. Por ocupar o forno mais tempo, o recozimento torna-se um processo dispendioso. Há casos, porém que se justifica o recozimento. Entre eles, aços ao carbono com alto teor de carbono ou aço de média liga, por exemplo a série (43XX).
Observa-se que um aço 1040 tem praticamente a mesma dureza Brinell 170Kg/mm2, tanto no estado normalizado como no recozido. Tal não acontece com o aço 4350, que no estado recozido apresenta dureza de 260 Brinell e no estado normalizado 480 Brinell.

Cementação

A cementação diferencia-se bastante dos outros tipos de tratamento porque estes introduzem modificações de ordem estrutural e a cementação modifica a composição química, com a introdução de carbono na parte superficial da peça.

Depois da cementação surgem praticamente dois tipos de aço: um superficial, com alto teor de carbono e que pode ficar com alta dureza após a operação de têmpera, e outro interno, com baixo teor de carbono, baixa dureza e bastante ductilidade.


Os aços comumente usados para cementação apresentam baixo teor de carbono. A liga escolhida é aquela que após temperada proporciona a dureza do núcleo desejada, por exemplo, 1010, 1020, 8620, 4320, 9315.
Entre a parte superficial e o núcleo, que possuem diferentes composições percentuais de carbono, existe camada intermediária onde a porcentagem do carbono varia progressivamente de um até outro ponto. Nesse caso, o processo de cementação a gás oferece vantagem sobre o de cementação em banho de sal, onde a zona de transição é menos perceptível.

Têmpera e Revenido

A têmpera seja o tratamento térmico mais conhecido. Consiste basicamente, em resfriar o material de maneira que não haja tempo para transformação da austenita em ferrita e perlita, até que se atinja a temperatura Ms de transformação da austenita em martensita, segundo o processo de mudança estrutural.
Os meios de Têmpera mais freqüentemente usados são: óleo, água, salmoura, solução de solda cáustica e também preparados químicos específicos.. Em qualquer um destes meios existem 3 estágios durante o resfriamento da peça:

1) Inicia-se imediatamente após a imersão da peça no meio líquido e caracteriza-se pela formação de cortina de vapor que envolve toda a superfície da peça. A transferência de calor é feita por radiação e condução através do filme de vapor com velocidade relativamente lenta. Por esta razão é altamente indesejável.

2) Neste estágio dá-se o rompimento da cortina de vapor e a superfície da peça é molhada pelo líquido de têmpera, dando início à ebulição. O resfriamento é bastante rápido e o calor é transferido por grande massa de vapor.

3) Cessada ebulição, começa o terceiro estágio, que é lento. A transferência de calor se dá por convenção e condução até atingir equilíbrio de temperatura.

Para eliminar rapidamente a cortina de vapor formada no primeiro estágio basta que adicione sal na água (9%) ou soda cáustica (3%).
Em alguns aços de média liga ( 430, 8640, 4140), o resfriamento não pode ser brusco, porque assim o não pode ser brusco, porque assim o material trincaria. deve-se usar o óleo, que tem um primeiro estágio de têmpera mais longo.

Devido à limitação do equipamento, algumas vezes não se poderá mudar facilmente a têmpera do óleo para água, ou vice-versa. Entretanto, isto não representa grande problema: dissolvidos em água, certos preparados orgânicos dão um meio de têmpera menos severo do que a água, mais severo do que o óleo e que passa por todas as formas intermediárias.

Face à brusca transformação de ordem estrutural na retícula cristalização do aço ( de austenita para martensita) e porque a martensita ocupa maior volume, ocorre uma conseqüentemente variação nas dimensões da peça, conhecida genericamente por distorção.

Por ser inerente ao processo, este problema é tolerado. Alguns, cuidados, porém podem ser tomados para minimizar a ocorrência, como, exemplo, conseguir estrutura homogênea antes de têmpera (normalização adequada) ; ou não temperar direto depois da cementação e sim esfriar as peças, reaquecê-las e depois temperar não se deve confundir a distorção com o problema do empenamento, onde há mudanças na forma sem envolver mudanças de volume.

O empenamento acontece em tratamentos térmicos porque geralmente se esquece que o material está com baixa resistência mecânica face à temperatura de processo e não se toma na arrumação das peças no forno ou na cesta.

O material no estado temperado é frágil, pois tem alta dureza e baixa ductilidade. Para que se consiga do material as propriedades mecânicas desejadas, necessita submetê-lo a tratamento posterior de revenido.

Em função das diferentes velocidades de tratamento entre o núcleo e superfície, ocorrem estruturas e durezas diferentes. ( Convém relembrar que a dureza superficial é praticamente função do teor de carbono do aço e a dureza do núcleo vem a ser função da liga do material).

Por isso, às vezes consegue-se melhorar as propriedades mecânicas do material trocando o meio de têmpera. Chega a um ponto, contudo, em que o tratamento térmico não é mais conveniente, porque se torna mais oneroso do que a troca do aço por outro com mais elementos de liga. O inverso também é válido, visto que para determinadas propriedades mecânica pode-se usar um aço com menores teores de elementos ligas, aplicando, porém o tratamento térmico adequado.

Uma observação importante em relação ao revenido diz respeito às variáveis tempo e temperatura: a dureza do material será menor se para determinada temperatura aumentar-se o tempo de revenido. também para um mesmo período de tempo, um aumento de temperatura diminuirá a dureza.
Temperaturas baixas e tempos de revenido mais longos são recomendáveis, porque, desse modo, pode-se obter melhor usinabilidade sem alterar a dureza final da peça.