Austêmpera: processo de tratamento térmico de aços

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AUSTÊMPERA
Luiz Roberto Hirschheimer (a)
1.Definição :
	Austêmpera é um processo de tratamento isotérmico dos aços, cujo objetivo é a obtenção de peças com alta tenacidade e resistência à fadiga como o exigem, por exemplo, molas de qualquer natureza.
	O processo caracteriza-se pela formação de uma microestrutura metalográfica constituída por bainita e apresenta, basicamente as seguintes etapas (vide figura 1) :
	( aquecer até a temperatura de austenitização.
	( resfriar bruscamente até a temperatura de formação da bainita.
	( manter a temperatura pelo tempo necessário até a completa 	 	 transformação da austenita em bainita (transformação isotérmica).
	( resfriar até a temperatura ambiente.
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Fig. 1
(a) Engenheiro Metalurgista e Gerente Técnico da Divisão Serviços Industriais da Brasimet Comércio e Indústria S.A., São Paulo, Brasil.
Artigo 1B - Total 7 páginas - Julho / 1998
	Para a maioria dos aços, a temperatura de formação da bainita situa-se entre 400ºC e 250ºC, ou seja, entre as temperaturas de formação da perlita e da martensita (Fig.1).
2. O que é bainita :
	Bainita é um constituinte metalográfico formado por ferrita e carbonetos, resultante da decomposição da austenita super-resfriada a temperaturas inferiores àquelas onde a reação perlítica torna-se mais 
lenta(2).
	Observada por microscopia óptica, a bainita pode apresentar-se na forma de agulhas semelhantes às de martensita, ou esferoidizada. Enquanto a primeira é encontrada, indistintamente, mas microestruturas resultantes das transformações isotérmicas ou contínuas, a bainita esferoidizada ocorre, quase que exclusivamente, como produto de resfriamentos contínuos(3).
	No âmbito deste capítulo, descreveremos somente a bainita agulhada, resultante dos tratamentos térmicos de austêmpera, ou seja, transformada isotermicamente. Sua microestrutura metalográfica será, tão mais parecida com a da martensita, quanto maior for a proximidade da temperatura de transformação bainítica da temperatura Mi. Além disto, a bainita agulhada pode ser classificada em três grupos distintos :
a) bainita inferior (vide fotomicrografias 2, 3 e 4) :
	
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Fig. 2 - Bainita inferior de um aço AISI-1080�
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Fig. 3 - Bainita inferior de um aço DIN 45WCrV7�
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Fig. 4 - Microscopia eletrônica de uma bainita inferior�
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	Observando-se as fotomicrografias 2 e 3 nota-se que a bainita inferior possui grande semelhança com a martensita. A principal diferença entre ambas está na presença de carbonetos, cuja forma e distribuição depende muito do teor de carbono do aço. 
	Típica da bainita inferior é a distribuição ordenada de “bastonetes” de carbonetos que, se alinham com ângulos de 50º a 60º em relação ao eixo das agulhas de bainita, conforme se observa na fotomicrografia nº 4. Provavelmente estes carbonetos são inicialmente segregados como carbonetos - (, dando origem à formação de Fe3C à medida que a transformação bainítica progride(3).
b) bainita superior (vide fotomicrografias 5, 6 e 7 ) :
		
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Fig. 5 - Microscopia eletrônica da bainita superior de um aço contendo 0,6%C�
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Fig. 6 - Bainita superior de um aço AISI 1070 �
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Fig. 7 - Bainita superior de um aço DIN 20MnCr5 �
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	Este tipo de bainita forma-se no campo médio de transformação bainítica. A característica principal da bainita superior é a presença de placas longas de ferrita, paralelas a carbonetos alongados que somente são visíveis através de microscopia eletrônica (vide fotomicrografia nº 5).
	A microestrutura metalográfica é similar à da perlita porém, apresenta menor regularidade geométrica do que esta e pode, ainda, apresentar imagens bastante variadas em função da maior ou menor presença de carbono e elementos de liga no aço (vide fotomicrografias 
nºs 6 e 7).
	Diferenciar a microestrutura metalográfica da bainita superior daquela da perlita fina, por meio de microscopia óptica, é praticamente impossível. Por microscopia eletrônica, percebe-se que a ferrita da bainita superior apresenta maior densidade de discordâncias do que aquela apresentada pela ferrita contida na perlita(3).
c) bainita isenta de carbonetos ou ferrita acicular :
		Esta microestrutura metalográfica é impossível de ser diferenciada da ferrita de Widmanstätten, por microscopia óptica. 
		Observada num microscópio eletrônico, a ferrita acicular é sempre acompanhada por uma “esponja” de austenita retida e uma leve segregação de carbonetos. As agulhas são longas, estendem-se, às vezes através de todo o comprimento dos grãos e partem, normalmente, dos contornos dos grãos originais de austenita(3).
3. Propriedades das peças austemperadas :
	As propriedades das peças austemperadas poderão ser melhor compreendidas quando comparadas àquelas obtidas por peças, do mesmo aço, temperadas e revenidas. A título de exemplo, tome-se um corpo de prova ( 10 x 100mm, de aço AISI 5160, submetido aos seguintes tratamentos térmicos :
	
TR�
____�
têmpera + revenido...�
830ºC ( 10’ ) (�
óleo (�
460ºC ( 20’ )
�
�
AT�
____�
austêmpera...............�
830ºC ( 10’ ) (�
320ºC ( 40’ ) (�
ar
�
�
	Os resultados dos ensaios mecânicos realizados encontram-se descritos na tabela 1.
	
PROPRIEDADES�
TR�
AT�
�
limite de resistência (MPa)�
1.530�
1.590�
�
limite de escoamento (MPa)�
1.400�
1.210�
�
alongamento (%)�
4,8�
8,2�
�
estricção (%)�
9,5�
36,0�
�
resistência ao impacto (J/cm2)�
38 a 43�
72 a 76�
�
resistência à fadiga (ciclos)�
8.150�
17.060�
�
Tabela 1 : propriedades mecânicas de um aço para molas 
 submetido aos tratamentos térmicos TR e AT(4)�
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	Analisando-se estes dados percebe-se que, mesmo apresentando um limite de resistência superior ao das peças temperadas e revenidas, as peças austemperadas alcançam valores significativamente maiores de alongamento, estricção e resistência ao impacto. Já, o limite de escoamento das peças austemperadas é consideravelmente menor que o alcançado pelas peças temperadas e revenidas, o que não pode ser desprezado ao dimensionar-se qualquer elemento de máquina.
	Quanto à resistência à fadiga por flexões alternadas, a austêmpera apresenta vantagens significativas, mesmo que as peças apresentem regiões com grandes concentrações de tensões como, por exemplo, entalhes, furações, variações geométricas abruptas, etc(4).
	Uma aplicação vantajosa da austêmpera é aplicá-la a aços que apresentem tendência à fragilidade de revenido, ou seja, aços ligados com Cr e/ou Mo que, após a têmpera devam ser revenidos entre 350ºC e 500ºC. A formação da bainita, entre 280ºC e 350ºC, permite que se alcance a dureza desejada, evitando-se o intervalo crítico de fragilização(4).
4. Limitações da austêmpera :
	Evidentemente, a austêmpera tem suas limitações.
	As excelentes propriedades de resistência à fadiga por flexões alternadas e tenacidade, obtidas pela austêmpera, limitam-se ao intervalo de durezas entre 40 e 50 HRC(4). Quando a dureza necessária for inferior a 40 HRC, a têmpera e o revenimento proporcionarão melhores resultados.
	Tanto a profundidade endurecida, quanto a dureza alcançada pela austêmpera são inferiores àquelas possíveis de serem obtidas pelo tratamento de têmpera e revenido. Por esta razão, os aços-carbono utilizados para a austêmpera devem conter um teor de carbono mínimo de 0,5% e, as peças tratadas não devem ser mais espessas do que 3mm. Para peças maiores é aconselhável escolherem-se aços com teores de manganês e cromo mais elevados(4).
	A austêmpera requer rígido controle da qualidade do aço e dos parâmetros (tempos e temperatura) do tratamento térmico. Pequenas variações no teor de cromo, por exemplo, podem aumentar ou diminuir significativamente o tempo necessário à transformação isotérmica.A temperatura de transformação isotérmica precisa ser cuidadosamente mantida. Se a dureza final desejada estiver abaixo daquela obtida após a austêmpera, deve-se retratar o lote pois, caso seja realizado um simples revenimento, ocorrerão alterações indesejadas na microestrutura metalográfica que, determinarão uma queda significativa da tenacidade e da resistência à fadiga das peças, no campo. Evidentemente, o mesmo raciocínio é válido para peças que sejam resfriadas muito depois, ou muito antes, do tempo correto para a transformação isotérmica.
5. Aplicações da austêmpera :
	A austêmpera aplica-se com sucesso a todos os tipos de molas pois, requerem alta resistência à fadiga e, normalmente, suas durezas encontram-se na faixa de 40 a 50HRC.
	Peças que necessitem de elevada resistência à tração e tenacidade como, por exemplo, fechos de cintos de segurança, pás de pedreiros, componentes de fechaduras, alavancas para máquinas de escrever, elos para determinadas correntes de transporte de ração animal, etc. podem ser austemperadas com sucesso.
	Genericamente, pode-se afirmar que elementos de máquinas sujeitos a esforços de fadiga, onde a vida útil é um fator decisivo e a geometria favorece a concentração de tensões localizadas podem ser submetidas ao tratamento de austêmpera. Antes porém, de tomar-se a decisão de substituir um tratamento térmico de têmpera e revenido por austêmpera, devem-se realizar alguns ensaios mecânicos pois, a microestrutura bainítica, apesar de oferecer praticamente os mesmos valores de resistência à tração (e, portanto, de dureza) que a microestrutura martensítica, apresenta menor limite de escoamento. Quase sempre é possível compensar-se esta diferença através da seleção de uma dureza mais alta para as peças austemperadas.
6. Prática da austêmpera :
	Independentemente do meio utilizado para a austenitização, a transformação isotérmica, necessária à obtenção de uma microestrutura metalográfica bainítica, é normalmente realizada em leitos fluidizados ou em banhos de sais fundidos, constituídos por uma mistura de nitretos e nitritos alcalinos(vide tabela 2).
Tipo de Sal�
Temperatura de Fusão (ºC)�
Temperatura de Trabalho
(ºC)�
Densidade�
Calor Específico Médio�
Calor Latente de Fusão ( J/g)�
�
�
�
Min.�
Máx.�
(g/cm2)�
a ºC�
(J/g.ºC)�
entre 20ºC e�
�
�
AS 140�
140�
160�
550�
1,8�
300�
1,43�
200ºC�
256�
�
AS 220�
220�
250�
550�
1,8�
400�
1,18�
350ºC�
310�
�
AS 235�
235�
280�
550�
1,8�
400�
1,47�
400ºC�
293�
�
Tabela 2 : Características físicas dos sais Durferrit(1)
	Os fornos que contém estes banhos de sais podem ser estacionários ou contínuos, sendo equipados com sistemas de aquecimento elétrico, trocadores de calor, recirculadores e a automação necessária à manutenção de uma temperatura constante para a transformação isotérmica, em função do volume de produção.
BIBLIOGRAFIA
1. Degussa AG.................................�
Durferrit Handbuch, 1977.
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2. W. Hume Rothery.........................�
Estrutura das Ligas de Ferro - Editora Edgard Blücher Ltda, 1968.
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3. H.J. Eckstein...............................�
Wärmebehandlung von Stahl - VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1971.
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4. Karlheinz Walz.............................�
Die Zwischenstufenvergütung - Durferrit Hausmitteilungen, 22, 1949.�
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