aula 7

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Engenharia Mecânica
Tratamento Termoquímicos e Superficial
Aula 7
DORCENTE: Msc. RAFAEL THOMAS PIMENTEL TABOSA
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TRATAMENTO TÉRMICO DOS AÇOS: RECOZIMENTO,
NORMALIZAÇÃO, TÊMPERA E REVENIDO;
COALESCIMENTO
1. Descreva, resumidamente, os tratamentos térmicos de recozimento, normalização e têmpera.
O recozimento tratamento térmico consiste em um processo em que a peça passa por aquecimento a sua temperatura de austenitização em função do material tratado, e após por um resfriamento lento
A normalização é um tratamento térmico que tem a função de diminuir as tensões decorrentes dos processos de fundição e conformação mecânica a quente ou a frio.
A têmpera tem duas etapas: aquecimento e esfriamento rápido. O aquecimento tem como objetivo obter a organização dos cristais do metal, numa fase chamada austenitização.
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2. O que é temperabilidade? Resuma, em poucas palavras, o ensaio aplicado para medir a temperabilidade de peças metálicas.
A temperabilidade de um aço pode ser entendida como a capacidade de endurecimento ou a capacidade que o aço possui de obter estrutura martensítica a uma elevada profundidade sob determinadas condições de resfriamento, conforme já visto.
Pode-se dizer que o afastamento do cotovelo da curva de início de transformação do eixo das ordenadas, do diagrama TTT do aço considerado, é proporcional à temperabilidade do material, ou seja, quanto maior for esse afastamento menor será a velocidade de resfriamento necessária para garantir a formação de martensita e, portanto, garantir o seu endurecimento. 
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Quando se deseja conhecer a profundidade de endurecimento de um determinado aço, para o caso da fabricação de peças de responsabilidade, é comum recorrer-se à prática de ensaios. O ensaio de temperabilidade Jominy, devido à sua praticidade e versatilidade é um dos mais usados. Na Figura 49 é apresentado o dispositivo típico utilizado na prática deste ensaio e o detalhe do corpo de prova cilíndrico padrão, de comprimento de 4” e diâmetro de 1”.
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3. Quais as características do tratamento térmico de revenimento. Cite ainda uma de suas desvantagens.
O revenimento já faz mudanças maiores na estrutura. Na faixa de 370°C e 730°C a transformação na estrutura é maior. Conforme a temperatura de revenimento é maior, a Cementita precipitada fica mais grossa e se tornam visíveis numa matriz férrica. A 730°C o revenimento pode levar a uma queda da dureza significativa.
4. O que é um tratamento isotérmico?
Nos tratamentos isotérmicos verifica-se que as transformações de fase ocorrem a uma temperatura constante. Os dois tratamentos dessa natureza são a austêmpera e a martêmpera.
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1. Introdução 
O endurecimento superficial dos aços, em grande número de aplicações de peças de máquinas, é, frequentemente, mais conveniente que seu endurecimento total pela têmpera normal, visto que, nessas aplicações, objetiva-se apenas a criação de uma superfície dura e de grande resistência ao desgaste e à abrasão.
O endurecimento superficial pode ser produzido por vários métodos, a saber:
a) tratamento mecânico da superfície, mediante o qual se obtém uma superfície encruada, com resistência e dureza crescentes, em função-da sua intensidade.
b) tratamento químico da superfície do aço, mediante métodos como cromeação dura, siliconização e outros;
c) tratamentos termo-químicos, tais como cementação, nitretação e carbonitretação;
d) têmpera superficial.
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Observe todas as engrenagens e acoplamentos mostrados na Figura (a - acoplamento de engrenagens de dentes retos; b - coroa e pinhão; c – eixo sem fim; d - acoplamento de engrenagens de dentes helicoidais; e e f – caixa de marchas). Seus dentes sofrem grande desgaste e forte compressão necessitando, então, de dureza elevada e de alta resistência ao desgaste.
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Os tratamentos á e b não possuem nada em comum com os tratamentos térmicos, motivo pelo qual não serão abordados na presente obra. Os tratamentos termo-químicos serão abordados em capítulo posterior.
A têmpera superficial consiste em produzir-se uma têmpera localizada apenas na superfície das peças de aço, que assim adquirirá as propriedades e os característicos típicos da estrutura martensítica. 
- Vários são os motivos que determinam a preferência do endurecimento superficial em relação ao endurecimento total:
— dificuldade, sob os pontos de vista prático e econômico, de tratar-se de peças de grandes dimensões nos fornos de tratamento térmico convencional; 
— possibilidade de endurecer-se apenas as áreas críticas de determinadas peças, como por exemplo, dentes de grandes engrenagens, guias de máquinas operatrizes, grandes cilindros, etc;
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— possibilidade de melhorar a precisão dimensional de peças planas, grandes ou delgadas, evitando-se o endurecimento total. Exemplos: hastes de êmbolos de cilindros hidráulicos;
— possibilidade de utilizar-se aços mais econômicos, como aços-carbono, em lugar de aços-liga; 
— possibilidade de controlar o processo, de modo a produzir, se desejável, variações em profundidades de endurecimento ou de dureza, em seções diferentes das peças;
— investimento de capital médio, no caso de adotar-se endurecimento superficial por indução e bem menor, no caso de endurecimento por chama;
 — diminuição dos riscos de aparecimento de fissuras originadas no resfriamento, após o aquecimento.
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Por outro lado, as propriedades resultantes da têmpera superficial são:
— superfícies de alta dureza e resistência ao desgaste;
— boa resistência à fadiga por dobramento;
— boa capacidade para resistir cargas de contacto;
— resistência satisfatória ao empenamento.
Algumas recomendações são necessárias para obtenção dos melhores resultados.
— procurar obter camadas endurecidas pouco profundas; de fato, profundidades maiores, desnecessárias podem provocar o empenamento ou fissuras de têmpera ou desenvolver tensões residuais excessivamente altas, sob a camada endurecida;
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— levar em conta que a espessura da camada endurecida depende de cada caso específico, tendo em vista as resistências ao desgaste e à fadiga desejadas, a carga de serviço das peças, as dimensões destas e, inclusive o equipamento disponível; como por exemplo, deve-se lembrar que se a camada endurecida corresponder a uma fração significativa da espessura da peça, podem resultar tensões residuais de compressão de pequeno valor nessa camada endurecida, de modo a ter-se melhora insignificante na resistência à fadiga.
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As temperaturas de aquecimento devem proporcionar a austenitização do aço, pois somente assim obtém-se no resfriamento posterior, a martenista. As temperaturas, os meios de resfriamento recomendados e as durezas resultantes para aços-carbonos são os seguintes:
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Os aços-liga e os aços de usinagem fácil, com o teor de carbono acima, são endurecidos por indução, no caso de se adotar o processo de têmpera superficial. Quando os elementos de liga provocam a formação de carbonetos (cromo, molibdênio, vanádio ou tungstênio), os aços correspondentes devem ser aquecidos a temperaturas 50 a 100ºC acima das indicadas.
A duração do aquecimento é muito curta, geralmente poucos segundos, para produzir uma nítida fronteira entre a secção endurecida e o resto da secção. 
A figura 67º mostra o efeito do tempo de aquecimento na profundidade de endurecimento e no início do aparecimento de fissuras, na têmpera superficial por indução de uma barra de aço 1045, com 25 mm de diâmetro.
Após 4 segundos de aquecimento, notou-se o aparecimento de fissuras superficiais, em seguida ao resfriamento. Após 5 segundos, asuperfície da barra aqueceu-se a uma temperatura próxima da de fusão do aço.
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A potência aplicada na experiência da qual resultou o gráfico da figura, foi 11,6 MW/m² a 450 kHz.
O meio de resfriamento usual na têmpera superficial é a água, fácil de instalar e manter e menos perigosa que os outros meios. Estes outros são salmoura, óleo, ar comprimido e polímeros líquidos.
Normalmente, o meio é aspergido ou borrifado sobre a secção aquecida ou a peça é mergulhada no meio, terminado o aquecimento.
Em alguns casos, por exemplo em peças maciças, como engrenagens de passo largo, pode ocorrer a rápida absorção do calor superficial pela massa não aquecida da peça. Desse modo, tem-se que poderia chamar de “auto-resfriamento”, que eliminaria os meios líquidos de têmpera.
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Além das vantagens citadas, outras que podem ser mencionadas são: eliminação dos fornos de aquecimento, maior rapidez de tratamento, tratamento em qualquer local da oficina, não produz apreciável oxidação ou descarbonetação do aço, etc.
Os processos usuais de têmpera superficial são:
— têmpera por chama;
— têmpera por indução.
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2. Têmpera por chama — Neste processo, aquece-se rapidamente, acima da temperatura crítica, a superfície a ser endurecida, por intermédio de uma chama de oxiacetileno, seguindo-se um jato de água, em forma de borrifo, de modo a produzir uma camada endurecida até a profundidade desejada.
Existem inúmeros dispositivos utilizados na operação. No caso mais simples de formas cilíndricas, leva-se a efeito o tratamento mediante a utilização de um dispositivo semelhante ao torno, entre as pontas do qual é colocada a peça, sendo a torcha de oxiacetileno e o bocal de água colocados no “carro” do torno. 
À peça gira a uma velocidade periférica determinada, ao mesmo tempo que a torcha, dimensionada de modo a abranger a área que se deseja endurecer, aquece sucessivamente a superfície, seguindo-se imediatamente o resfriamento pela água. Com esta disposição, há probabilidade de se formarem faixas mais moles com alguns milímetros de largura.
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https://www.youtube.com/watch?v=rwAU2WFUkEc
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Para evitar esse inconveniente, prefere-se aquecer a superfície com uma torcha de chama múltipla e forma anular, que se movimenta ao longo da peça girando rapidamente. O bocal de resfriamento apresenta também forma anular. À espessura da camada endurecida pode variar desde apenas uma casca superficial até cerca de 10 mm.
O dispositivo descrito, adaptado em .máquina do tipo de um torno, dá uma ideia da maneira de realizar-se a têmpera superficial por chama. A figura 68 mostra mais claramente três métodos de aplicação desse tipo de endurecimento superficial.
Além desses, o método mais simples é o chamado “estacionário”, em que se aquecem apenas localmente áreas selecionadas da peça, com subsequente resfriamento, ou por borrifo ou até mesmo por imersão. Este é o método mais simples, porque não exige equipamento elaborado, além evidentemente do dispositivo de chama e, eventualmente, dispositivo de fixação e de controle do tempo para permitir um aquecimento mais uniforme.
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O método “progressivo” é empregado para endurecer secções grandes que não podem ser aquecidas pelo processo estacionário. As dimensões e a forma da peça a ser endurecida, assim como o volume de oxigênio e de gás combustível necessário para aquecer a secção, são fatores a serem levados em conta na escolha deste processo.
O equipamento necessário no método progressivo consiste de um ou mais cabeçotes de chama e de um dispositivos de resfriamento, montados num carro que pode se movimentar a uma velocidade regulável: as peças podem, por exemplo, ser montadas numa torno e tanto o cabeçote da chama como a peça podem girar, não havendo, finalmente, limite prático quanto ao comprimento das peças que possam ser temperadas por este método.
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As velocidades de aquecimento com chamas de oxiacetileno, variam de 5 a 30 cm/min e normalmente, o meio de resfriamento é água à temperatura ambiente, ou eventualmente, quando se deseja uma têmpera menos severa, ar.
O método “giratório” é empregado em peças de secção circular ou semicircular, tais como rodas, cames e pequenas engrenagens. Na sua forma mais simples, utiliza-se um mecanismo para girar a peça num plano horizontal ou vertical, ficando sua superfície sujeita à ação da chama.
Desde que se consiga um aquecimento uniforme, a velocidade de rotação é relativamente pouco importante. Depois que a superfície da peça tiver sido aquecida — por intermédio de um ou mais cabeçotes de chamas — a chama é extinta ou retirada e a peca é resfriada por imersão, borrifo ou por uma combinação de ambos os métodos.
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Em contraste com o método progressivo, em que o gás combustível usado é geralmente acetileno — devido sua elevada temperatura de chama e rápido aquecimento — no método giratório, resultados satisfatórios são obtidos com gás natural (metano), propano, além de gás fabricado.
Finalmente, o método “combinado progressivo-giratório” alia os dois anteriores: a peça é girada, como no método giratório, ao mesmo tempo que a chama se movimenta de uma extremidade à outra. Somente uma faixa estreita de circunferência é aquecida progressiva- mente, à medida que a chama se move de uma extremidade à outra da peça. O resfriamento segue imediatamente atrás da chama.
Vários gases combustíveis podem ser, usados na têmpera por chama. A Tabela 12 mostra a quantidade de oxigênio e de gás combustível necessária para aquecer um centímetro quadrado de aço a 815ºC a uma profundidade de 3,2 mm, para alguns gases combustíveis queimados com o oxigênio.
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3. Têmpera por indução — O calor para aquecer uma peça pode ser gerado na própria peça por indução eletromagnética. Assim se uma corrente alternada flui através de um indutor ou bobina de trabalho, estabelece-se nesta um campo magnético altamente concentrado, o qual induz um potencial elétrico na peça a ser aquecida e envolvida pela bobina e, como a peça representa um circuito fechado, a voltagem induzida provoca o fluxo de corrente. A resistência da peça ao fluxo da corrente induzida causa aquecimento por perdas I²R.
O modelo de aquecimento obtido por indução depende da forma da bobina de indução que produz o campo magnético, do número de voltas da bobina, da frequência de operação e da força elétrica da corrente alternada.
A fig. 69º mostra alguns exemplos de campos magnéticos e correntes induzidas produzidas por bobinas de indução. 
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https://www.youtube.com/watch?v=sqyNatXX7C8&t=1s
https://www.youtube.com/watch?v=wrUF3_byagQ&t=69s
https://www.youtube.com/watch?v=1LkGUw7iWgI
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A velocidade de aquecimento obtida com bobinas de indução depende da intensidade do campo magnético ao qual se expõe a peça. Nesta, a velocidade de aquecimento é função das correntes induzidas e da resistência ao seu fluxo. Quando se deseja aquecimento a pequena profundidade ou seja camada endurecida de pequena espessura, adota-se geralmente corrente de alta frequência; baixas ou intermediárias são utilizadas em aplicações onde se deseja aquecimento a maior profundidade.
Do mesmo modo, a maioria das aplicações de têmpera superficial exige densidade de força (kW/cm²) relativamente altas e ciclos de aquecimento curtos, de modo a restringir o aquecimento à área superficial.
Camadas endurecidas da ordem de 0,25 mm são obtidas, mediante a aplicação de correntes de frequência elevada — 100 hKz a 1 MHz — alta densidade de força e tempo reduzido. Camadas mais espessas, de 12 mm ou mais, são obtidas por cor- rentes de frequência baixa — 3 a 25 kHz - e períodos de tempo mais longos.
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Em resumo, o controle da profundidadede aquecimento é conseguido, jogando-se com as seguintes variáveis:
— forma da bobina;
— distância ou espaço entre a bobina de indução e a peça;
— taxa de alimentação de força;
— frequência;
— tempo de aquecimento.
A Figura 70 mostra esquematicamente a técnica de aquecimento por indução .
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Para alguns tipos de equipamentos de indução, as frequências mais comumente usadas são as representadas na Tabela 13 .
Nessa Tabela, as expressões Ação Eficiente, Ação Razoável e Ação Inadequada indicam o seguinte:
— “ação eficiente” — frequência que aquecerá do modo mais eficiente o material até a temperatura de austenitização para a profundidade especificada;
— “ação razoável” — frequência que é inferior à ótima, mas suficiente para aquecer à temperatura de austenitização, para a profundidade especificada;
— “ação inadequada” — frequência que poderá superaquecer a superfície.
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Por outro lado, o êxito de muitas aplicações de aquecimento por indução depende do desenho ou forma da bobina de indução. Essa forma é, evidentemente, influenciada por diversos fatores, entre os quais pode-se mencionar as dimensões e a forma da peça a ser aquecida, o modelo de aquecimento a ser obtido, número de peças a serem aquecidas, etc.
A Figura 71 mostra alguns desenhos básicos para utilização em alta frequência (acima de 200 kc)
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O tipo (a) consiste num simples solenoide para aquecimento externo; o tipo (b) consiste numa bobina para aquecimento interno de orifícios; o tipo (c) permite elevadas densidades de corrente numa faixa estreita da peça; o tipo (d) consiste numa bobina de uma única volta para aplicação em superfície giratória, possuindo meia volta contornada para possibilitar o aquecimento de filetes; finalmente o tipo (e) é o indicado para aquecimento localizado de superfícies planas.
Para tais bobinas, usam-se tubos de cobre comercial, com dimensões tais que permitam um fluxo de água adequado para seu resfriamento. A tubulação pode apresentar diâmetros pequenos — da ordem de 1/8" — para máquinas de potência muito baixa, mas para unidades de 20 a 50 kW, o diâmetro da tubulação varia geralmente de 3/16“ a 1/4".
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Entre os vários processos para aplicar-se aquecimento superficial por indução, pode-se citar os seguintes:
a) têmpera simultânea, em que a peça a ser temperada é feita girar dentro da bobina; uma vez atingido o tempo necessário para o aquecimento, a força é desligada e a peça imediatamente resfriada por um jato de água;
b) têmpera contínua, em que a peça, ao mesmo tempo que gira no interior da bobina de indução, move-se ao longo do seu eixo, de modo a se ter uma aplicação progressiva de calor. O dispositivo de resfriamento está montado a certa distância da bobina.
4. Outros métodos de têmpera superficial — Entre eles podem ser citados:
— raios laser e raios eletrônicos, os quais podem ser dirigidos a zonas muito pequenas e precisamente localizadas. Consegue-se, assim, um aquecimento de grande intensidade. O aquecimento eletrônico, contudo, exige uma câmara de vácuo, onde a peça é colocada;
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https://www.youtube.com/watch?v=tBBx_acFnRs
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— aquecimento por resistência de alta frequência, por exemplo em peças com forma de barras longas.
5. Revenido dos aços temperados superficialmente — Após a têmpera superficial, as peças são submetidas a um revenido, pois, qualquer que tenha sido o tratamento de têmpera adotado, é necessário revenir a martensita. Geralmente, esse revenido é levado a efeito a temperaturas baixas, objetivando-se sobretudo o alívio das tensões originadas.
Considerando-se que os processos de têmpera superficial são adotados devido a característicos dimensionais das peças ou por outros motivos, pode-se também concluir que se deve igualmente preferir os métodos de chama ou por indução para revenir o material.
No caso, por exemplo, da têmpera superficial por chama em peças de grandes dimensões, através do método progressivo, o revenido é realizado imediatamente após o resfriamento, pelo reaquecimento da superfície temperada com uma chama colocada a pequena distância do dispositivo de resfriamento.
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Em peças grandes, temperadas até uma profundidade e cerca de 6 mm ou mais, o calor residual presente depois do resfriamento, como já foi mencionado, pode ser suficiente para aliviar as tensões da têmpera, tornando-se desnecessário um revenido subsequente, como operação à parte.
6. Aços recomendados na têmpera superficial — Esse assunto já foi abordado.
Os aços-carbono comuns, na faixa de 0,30 a 0,60% de carbono, são os mais usados nas aplicações de têmpera por chama, podendo ser endurecidos inteiramente em seções até aproximadamente 12,5 mm. O mesmo .pode-se dizer em relação à têmpera superficial por indução.
Frequentemente usam-se aços-liga, quando se deseja maior resistência do núcleo porque os aços-carbonos não são adequados para a obtenção dessa resistência em determinadas secções, ou ainda porque, devido ao peso e à forma da peça e possibilidade de empenamento ou fissuração, não se recomenda o uso de aço-carbono resífriado em água.
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Finalmente, os aços de granulação fina devem ser preferidos, visto que a granulação grosseira é mais suscetível de fissuração, durante o resfriamento posterior.
7. Conclusões — Nota-se uma tendência em substituir muitos tratamentos de têmpera e revenido e mesmo os tratamentos termoquímicos por processo de têmpera superficial, utilizando sobretudo o aquecimento por indução, em que a fonte de energia é a eletricidade.
Além da economia das fontes tradicionais de energia, é possível — como se viu, durante a exposição — substituir os aços-liga por aços-carbono, de custo menor.
O endurecimento por raio laser ou feixe eletrônico está igualmente ganhando adeptos, sobretudo quando atmosferas especiais estão envolvidas nos tratamentos tradicionais, como cementação e carbonitretação.
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