Aula4 Tratamentos termicos

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Aula 4- Tratamento Térmico e Termoquímico
Prof. Jorge Tadao Matsushima 
Objetivos:
Estudar os diferentes tipos de tratamentos térmicos e termoquímicos para os aços, abordando-se os objetivos, características e aspectos estruturais vantajosos resultantes.
Tratamento Térmico
Têmpera
	Consiste no resfriamento rápido do aço de uma temperatura superior à sua temperatura crítica (mais ou menos 50oC acima da linha A1 para os hipereutetóides) em um meio com óleo, água, salmoura ou mesmo ar. 
	
Objetivo
	Obtenção da estrutura martensítica, para o que se deve, portanto, fazer com que a curva de esfriamento passe à esquerda do cotovelo da curva em C, evitando assim a transformação da austenita. 
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Têmpera
Finalidade da Têmpera
● Aumento do limite de resistência à tração do aço e também da sua dureza.
● Redução da ductibilidade (baixos valores de alongamento e estricção), da tenacidade.
● Apresenta como inconveniente, o aparecimento de apreciáveis tensões internas atenuados ou eliminados por revenimento.
Tratamento Térmico
Têmpera – Procedimento
Definir a velocidade de resfriamento adequada para processo de têmpera, de tal forma que impeça transformações da austenita em temperaturas mais elevadas em qualquer parte da peça que se deseja endurecer.
Controlar a dimensão das peças – a temperabilidade depende da seção das peças, uma vez que, pode determinar diferenças de esfriamento entre a superfície e o centro das peças.
Controlar da temperatura de aquecimento – qualquer que seja o aço, a temperatura de aquecimento deve ser superior à da linha de transformação A1.
	Aço hipoeutetóide: elevar a temperatura acima do limite superior da zona crítica – linha A3 para a completa austenitizaçao.
	Aço hipereutetóide: aquecer acima da linha A1 sem necessidade de se ultrapassar a linha A3 . O aço será constituídos de grãos de austenita e pequenas partículas de carboneto de ferro (Fe3C).
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Tratamento Térmico
	Tratamento térmico que normalmente sempre acompanha a têmpera.
	Objetivo:
	 Aliviar ou remover tensões internas;
	 Corrigir a dureza excessiva e fragilidade do material
	 Aumentar a ductibilidade e resistência ao impacto.
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● Obtenção da estrutura martensítica – dureza elevada. Por outro lado, aparecimento de tensões internas podendo ser de natureza estrutural e térmica.
Revenimento
Tratamento Térmico
Têmpera bem sucedida!!!!
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Capacidade relativa do um aço ser endurecido pelo resfriamento. 
DUREZA: definida pelo grau de penetração produzido em um ensaio padrão.
● Ensaio de Jominy – uma barra de aço com tamanho padrão 25 mm de diâmetro por 100 mm de comprimento) é levada à temperatura de austenitização e, então, uma extremidade é exposta a um jato de água.
Tratamento Térmico
Endurecibilidade ou Temperabilidade
Aquece-se o aço à temperatura usual de têmpera , 780 ºC em atmosfera neutra para evitar a descarbonetação.
Resfria-se em água fria ou solução salina a 10% para a máxima dureza. Agitação intensa é necessária para assegurar o resfriamento rápido, para evitar o aparecimento regiões moles.
Com este procedimento a profundidade de endurecimento é de aproximadamente 3 mm.
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ÁGUA
Aço ferramenta temperável em água
Tratamento Térmico
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Pré-aquecimento a 650-700 ºC para equalização de temperatura antes do aquecimento até a temperatura de austenização. Este passo permite manter a estabilidade dimensional.
Aquecimento até 800-840 ºC para a têmpera e resfriamento em óleo. Com este procedimento a profundidade de endurecimento é de aproximadamente 3 mm.
	Revenimento
	Recomenda-se uma faixa de temperaturas entre 170 e 200 ºC, para adequar a dureza do aço ferramenta.
	Entre 250 e 300 ºC pode resultar em redução da resistência ao impacto.
Aço ferramenta temperável em óleo
ÓLEO
Tratamento Térmico
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pré-aquecimento adequado a 780 ºC antes da austenização
A têmpera é efetuada pelo resfriamento em convecção natural. Seções maiores devem ser resfriadas com jato de ar para obtenção de durezas maiores.
Após o resfriamento até a temperatura de toque manual (50-60 ºC), o revenimento deve ser aplicado. Às vezes o revenimento múltiplo é necessário para que sejam atingidas a transformação completa da austenita e a máxima tenacidade compatível com a dureza.
AR
Aço ferramenta temperável em ar
Tratamento Térmico
Austêmpera
	Consiste de um tratamento isotérmico dos aços e o processo caracteriza-se pela formação de uma microestrutura constituída de bainita.
	 É um processo que evita a formação direta da martensita, eliminando-se os inconvenientes que essa estrutura apresenta quando obtida pela têmpera direta.
	
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Tratamento Térmico
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Tratamento Térmico
Austêmpera
	Operação e transformação
	(a) aquecimento a uma temperatura dentro da faixa de austenitização.
	(b) resfriamento em um banho mantido a uma temperatura constante, geralmente entre 260oC e 400oC.
	(c) permanência no banho a essa temperatura, para se ter isotermicamente, a transformação da austenita em bainita.
	(d) resfriamento até a temperatura ambiente, em ar tranquilo ou banho de sal. 
Austêmpera - Vantagens
Melhores ductibilidade, tenacidade e resistência para uma determinada dureza.
Empenamento reduzido, o que reduz o tempo posterior de usinagem, sucata e inspeção.
Vantagens da austêmpera sobre a têmpera e o revenido
Formação direta da austenita em uma estrutura bainítica, à temperatura mais alta que a martensita.
Tensões internas são muito menores, consequentemente, não há praticamente distorção e empenamento e do mesmo modo a possibilidade de fissuras de têmpera é quase completamente eliminada.
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Tratamento Térmico
Martêmpera
	Consiste em aquecer o aço até a temperatura de austenitização, e então resfriar rapidamente (sem atingir a curva TTT do aço), chegando assim a temperatura de formação da martensita, é deixado isotérmico por um certo tempo, então resfriado em banho de sal ou óleo aquecidos.
É um tipo de tratamento térmico indicado para aços ligados por que reduz o risco de empenamento das peças, visando a obtenção da martensita.
Apresenta-se uniforme e homogênea, diminuindo riscos e trincas.
 Após a martêmpera é necessário submeter a peça a revenimento.
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Tratamento Térmico
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Martêmpera
● Aquecimento a uma temperatura dentro da faixa de austenitização.
● Resfriamento num meio fluido quente (óleo aquecido, banho de sal, metal fundido) até uma temperatura geralmente acima da faixa de formação da martensita.
● Manutenção nesse meio de resfriamento até que a temperatura se uniformize através de toda a seção das peças.
● Resfriamento a velocidade moderada (geralmente ao ar) de modo a prevenir qualquer grande diferença de temperatura entre a parte externa e a parte interna das seções.	
Tratamento Térmico
Martêmpera – Objetivos
Aumento da dureza por meio da microestrutura martensítica;
Menor nível de tensões internas em relação a têmpera convencional e, consequentemente, maior estabilidade dimensional sobre os lotes e menor perda de peças por trincas e/ou distorções dimensionais;
Maior custo que a têmpera devido ao emprego de fornos do tipo banho de sal.
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Tratamento Térmico
Atividade em sala
O aço é um material extremamente versátil, pode-se conseguir propriedades muito diferentes sem mudar a composição química. Discuta essa afirmativa.
A normalização é um tratamento térmico muito importante na indústria, O resfriamento é realizado ao ar. Cite os principais objetivos desse tratamento e as microestruturas obtidas.
Como podem surgir trincas durante o tratamento de têmpera?
O que é temperabilidade? Como podemos medi-la
Porque deve-se fazer o revenimento em todas as peças temperadas?
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São aqueles que combinam a ação do calor com a ação química e o resultado é o enriquecimento de uma camada, ou mesmo todo o volume de uma peça com um elemento metálico ou não metálico.
Finalidade
 Proporcionar o endurecimento superficial pela modificação parcial da composição química ou através de mudanças estruturaisna superfície do componente.
Resultados
 Melhora da resistência ao desgaste da peça sem afetar a ductibilidade do interior do material.
Aplicações
 Situações onde se deseja superfície com elevada dureza, resistência ao desgaste e material (interior) tenaz capaz de resistir ao impacto quando em uso.
Exemplos: engrenagens, mancais e eixos.
Tratamentos Termoquímicos
Cementação
	É um tratamento térmico austenítico, onde o carbono é introduzido na fase austenita, e irá originar martensita com o posterior resfriamento da peça. 
	
	Objetivos
Aumentar a dureza e a resistência ao desgaste mantendo o núcleo dúctil e tenaz –maior resistência ao impacto e à fadiga.
Formação de forças compressíveis na superfície com o aumento da resistência à fadiga.
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Tratamentos Termoquímicos
	Cementação
Usado para aços baixo carbono (0,1 a 0,2% p C).
Temperatura de tratamento – normalmente 850 a 950oC.
O carbono é introduzido na fase austenítica.
	solubilidade máxima do C na ferrita a T ambiente ~ 0,008% C.
 solubilidade máxima do C na ferrita à 723oC ~ 0,02%.
 solubilidade máxima do C na austenita à 723oC ~ 0,8%.
 solubilidade máxima do C na austenita à 1148oC ~ 2,0%.
O teor de C na superfície aumenta para 0,8 a 1,0%.
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Tratamentos Termoquímicos
Cementação Sólida
	Nesse processo as peças são colocadas em caixas metálicas, geralmente de aço-liga resistente ao calor, em presença das chamadas misturas carburizantes.
Misturas mais usadas – carvão de madeira com cerca de 5% a 20% de uma substância ativadora (BaCO3 é a mais usada).
	Mecanismo da cementação sólida
O C atômico é rapidamente dissolvido na austenita difunde para o interior do aço. O CO2 reage novamente com o carvão.
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C + O2  CO2
CO2 + C  2CO
3 Fe + 2 CO  Fe3C + CO2
Tratamentos Termoquímicos
Cementação Sólida – Mecanismo
O C atômico é rapidamente dissolvido na austenita difunde para o interior do aço. O CO2 reage novamente com o carvão.
Carbonato de bário – aumenta a velocidade de fornecimento de CO e usado como energizador quando o O2 é insuficiente no meio.
A cementação é geralmente realizada a temperaturas que variam entre 850 a 950oC, uma vez que a geração de quantidade apreciável de CO dá-se acima de 800oC. 
Pode-se atingir profundidade de cementação até 2 mm ou mais. 
C + O2  CO2
CO2 + C  2CO
3 Fe + 2 CO  Fe3C + CO2
BaCO3  BaO + CO2
CO2 + C  2CO
Tratamentos Termoquímicos
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Cementação Sólida
Vantagens
 Eficiente e econômico para o processamento de pequenos lotes de peças ou para peças de grandes dimensões.
 Diminui a tendência ao empenamento das peças devido ao fato delas se apoiarem bem na mistura carburizante sólida. 
 O resfriamento das peças a partir da temperatura da cementação é lento, o que pode representar uma vantagem para peças que deviam ser submetidas a uma usinagem de acabamento depois da cementação e antes da têmpera.
Desvantagens
 Não é um método limpo.
 Pouco controle de C superficial e do gradiente de carbono. 
 Não é recomendável para produção de camadas finas. 
Tratamentos Termoquímicos
Cementação Líquida
	É realizada mantendo-se o aço à temperatura acima da crítica, num banho de sal fundido, com composição adequada para promover o endurecimento superficial de C.
O agente ativo no banho de sal é o cianeto de sódio (NaCN) ou o cianeto de potássio (KCN)
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Tratamentos Termoquímicos
Cementação Líquida – Mecanismo
As reações que produzem seja CO e C são benéficas para a obtenção da desejada camada de cementação.
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2 NaCN  Na2CN2 + C
2 NaCN + O2  2 NaCNO
NaCN + CO2  NaCNO + CO
3 Fe + 2 CO  Fe3C + CO2
3 Fe + C  Fe3C
Tratamentos Termoquímicos
Cementação Líquida - Características gerais
 A profundidade da cementação depende da composição do banho, tempo de operação e temperatura. 
Tempos de operação de 3 a 4 horas, obtém-se espessuras de cerca 1,5 mm.
Em tempos mais curtos, 1 a 2 horas, obtém-se espessuras de 0,5 mm.
Vantagens 
 	Rapidez de operação
 Proteção efetiva contra oxidação e descarbonetação.
 Maior controle da profundidade de penetração.
 Menor possibilidade de empenamento das peças.
 Maior facilidade de produzir-se cementação localizada.
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Tratamentos Termoquímicos
Cementação Gasosa 
	Neste processo, a substância fonte de carbono é uma atmosfera gasosa.
Mecanismo de cementação gasosa
 Além do CO, gases derivados de hidrocarbonetos são fontes para a cementação gasosa.
O C que se dissolverá na austenita, difundindo-se para o interior do aço.
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2 CO  C + CO2
CO + H2  C + H2O
CH4  C + 2 H2
C2H6  C + x CH4 + y H2
C3H8  C + x C2H6 + y CH4 + 2 H2
Tratamentos Termoquímicos
	Cementação Gasosa - Vantagens em relação a Sólida
 A mistura carburizante fica mais bem definida e perfeitamente estável, durante toda a fase ativa da cementação. Ao contrário do que ocorre na cementação sólida, em que a mistura perde eficiência a medida que a operação se prolonga.
 Constitui-se mais limpo que a cementação sólida, pois elimina os pós.
 Permite melhor controle do teor de C e da espessura da camada cementada.
 Apresenta maior velocidade de penetração do carbono.
 É mais rápida e oferece possibilidade de uma só têmpera direta, após cementação, evitando-se o aumento excessivo do grão.
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Tratamentos Termoquímicos
Nitretação
	É um tratamento termoquímico de endurecimento superficial em que se introduz nitrogênio na fase  (ferrita) em temperaturas entre 500 a 570oC. Consequentemente, não ocorre mudança de fase quando o aço é resfriado até a temperatura ambiente.
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Objetivo
Aumentar a dureza e a resistência ao desgaste mantendo o núcleo dúctil e tenaz.
Tratamentos Termoquímicos
Propriedades dos Aços Nitretados
Alta dureza superficial com aumento da resistência ao desgaste e com pouco risco de descamação.
Alta resistência à fadiga – formação de forças compressíveis na superfície do aço. 
Melhora da resistência à corrosão em aços não inoxidáveis.
Sem risco de empenamento.
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Tratamentos Termoquímicos
Cianetação ou Carbonitretação Líquida
	Consiste no aquecimento do aço a uma temperatura acima da temperatura crítica num banho adequado de sal cianeto fundido, ocorrendo absorção simultânea na superfície do aço de carbono e nitrogênio.
O resfriamento em óleo, água ou salmoura produz uma camada superficial dura de alta resistência ao desgaste. 
Objetivo
Aplicada mais comumente em aços-carbono de baixo teor de C, quando se deseja rapidamente uma camada com dureza e resistência ao desgaste. 
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Tratamentos Termoquímicos
Cianetação ou Carbonitretação Líquida - Mecanismo
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2 NaCN + O2  2 NaCNO
4 NaCNO  Na2CO3 + 2 NaCN + CO + 2 N
2 CO  CO2 + C
(3) O CO em contanto com o ferro, passa provavelmente a CO2 e formando carbono ativo:
(2) Decomposição do cianato de sódio formando nitrogênio que se combina diretamente com o ferro:
(1) Passagem do cianeto de sódio a cianato de sódio na presença de O2.
Tratamentos Termoquímicos
Cianetação Gasosa ou Nitrocarbonetação
	Consiste em submeter-se o aço a uma temperatura elevada – geralmente acima da de transformação – numa atmosfera gasosa que pode fornecer carbono e nitrogênio simultaneamente, os quais são absorvidos pela superfície do metal.
A carbonitretação é realizada a temperaturas mais baixas que as utilizadas na cementação a gás, ou seja, 705 a 900oC, durante um tempo mais curto, de modo a obter-se uma espessura endurecida menor. 
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Tratamentos Termoquímicos
Cianetação Gasosa ou Nitrocarbonetação
Objetivos
Confere ao aço uma camada dura e resistente ao desgaste, com espessura variando-se geralmente de 0,07 a 0,7 mm.
Por outro lado, uma camada carbonitretada apresenta melhor temperabilidade que uma camada cementada, de modo que, por carbonitretação e têmpera subsequentepode obter uma camada mais dura a custo mais baixo, dentro da faixa de espessura indicada. 
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Tratamentos Termoquímicos