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 e termoquímicos.
O tratamento térmico é a aplicação combinada de aquecimento e resfriamento em determinado período. 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 acompanhados de tratamento térmico.
Normalização
A principal finalidade da normalização é conseguir a melhoria das condições de usinabilidade, estampabilidade e conformação do aço. Ela funciona como agente que homogeneiza a estrutura cristalina, eliminando os pontos críticos resultantes de trabalhos anteriores. A normalização também prepara o material para 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 ideia 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:
Variáveis
Para atingir os cinco pontos apresentados, deve-se controlar as seguintes variáveis:
Nota-se facilmente que o terceiro item é mais difícil de controlar, porque é comum colocar-se amontoadas, no chão ou em recipientes, as peças que receberam normalização, ocasionando diferente velocidade de esfriamento para cada peça e originando um lote bastante heterogêneo. 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) é entre duas a quatro 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 um a quatro. Mesmo que se tenha partido de tamanho de grão austenítico cinco a oito, 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 europeia 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, com bastante intermediário, será prejudicial à vida útil da ferramenta.
Recozimento
Basicamente idêntico à normalização, o 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 170 Kg/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. 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, que pode ficar com alta dureza após a operação de têmpera, 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 e 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 é o tratamento térmico mais conhecido. Consiste, basicamente, em resfriar o material de maneira que não haja tempo para a 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 usados são: óleo, água, salmoura, solução de solda cáustica e também preparados químicos específicos. Em qualquer um destes meios existem três estágios durante o resfriamento da peça:
1) Inicia-se imediatamente após a imersão da peça no meio líquido que se caracteriza 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 a ebulição, começa o terceiro estágio, que é lento. A transferência de calor se dá por convecção 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 (4340, 8640, 4140), o resfriamento 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 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, por exemplo, conseguir estrutura homogênea antes de temperar (normalização adequada); ou não temperar direto depois da cementação, sim esfriar as peças e 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 a 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 mecânicas 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 um aumento de temperatura diminuirá a dureza. Temperaturas baixas e tempos de revenido mais longos são recomendáveis. Desse modo, pode-se obter melhor usinabilidade sem alterar a dureza final da peça.