Severidade na Têmpera de Aços

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Aula 8 – Severidade na Têmpera 
Fatores que afetam a temperabilidade 
Severidade de Têmpera 
 O diâmetro crítico de um aço depende do meio de resfriamento. 
Quanto maior a velocidade de resfriamento, maior a sua 
severidade. Essa característica costuma ser indicada pela letra 
“H”. 
 Para que se pudesse comparar aços diferentes, quanto à 
temperabilidade seria necessário associar os diâmetros críticos 
a um certo H. 
 
Diâmetro Crítico Ideal 
 O diâmetro crítico obtido por um 
meio de resfriamento hipotético 
com capacidade infinita de 
extração de calor(H=infinito) 
 Pode-se definir a temperabilidade 
de um aço por meio de um valor 
numérico. É uma medida de 
previsão de diâmetro de uma barra 
redonda que endurecerá em 
qualquer meio 
 Por exemplo, um aço com diâmetro 
crítico 1,2” esfriado em um meio 
com H=0,4 possui diâmetro ideal = 
2,6” 
 
Exemplo 
 Através das curvas de correlação pode-se determinar a 
severidade de têmpera e assim o meio de têmpera que deve 
ser empregado. 
 
 Por exemplo, se pegarmos uma barra de 2” de um aço 8640 e 
desejarmos uma dureza de 50HRC no centro tem-se ½” de 
distância Jominy ou 8/16. Da curva de correlação tem-se que 
para no centro tenha-se 8/16 de distância Jominy, a 
severidade de têmpera deve ser 1,0 (água sem agitação) 
 
 
Fatores que afetam a temperabilidade 
 Fatores que diminuem a temperabilidade 
Granulação fina da austenita 
Inclusões não dissolvidas: carbonetos ou nitretos e 
inclusões não-metálicas 
 
 Fatores que aumentam a temperabilidade 
Elementos dissolvidos na austenita (exceto o Co) 
Granulação grosseira da austenita 
Homogeneidade da austenita 
Fatores que afetam a temperabilidade 
Fatores que alteram a Temperabilidade 
Influência de elementos de liga 
 
 Todas as cinco ligas possuem durezas idênticas nas extremidades 
temperadas; essa dureza é função exclusivamente do teor de carbono. 
 O aço carbono comum possui a 
menor temperabilidade, pois sua 
dureza decai de maneira brusca 
após uma distância Jominy 
relativamente curta. 
 
Os aços-liga terão uma dureza 
temperada mais alta até 
profundidades maiores. 
 
Os elementos de liga como níquel, 
cromo e molibdênio retardam as 
reações da austenita para perlita 
e/ou bainita e assim mais martensita 
é formada. 
Influência do teor de carbono 
 As curvas de temperabilidade 
dependem também do teor de 
carbono 
 A dureza em qualquer posição 
Jominy aumenta em função do 
aumento do teor de carbono 
 Com o aumento de teor de 
carbono a formação de 
produtos de transformação 
(perlita, ferrita e cementita) é 
mais difícil 
 
Banda de temperabilidade 
 Durante a produção industrial existe sempre uma ligeira e 
inevitável variação na composição e no tamanho médio do 
grão. 
 
 Isso resulta em um espalhamento dos dados de medição de 
temperabilidade que são plotados na forma de uma banda ou 
faixa que representam os valores mínimos e máximos 
esperados para uma liga 
 
Importância da Temperabilidade 
 Faixas de Temperabilidade 
Novo método de traçados de curvas de 
resfriamento 
Meios de Têmpera 
  Para controle da taxa de resfriamento de modo a temperar o aço, utiliza-se 
diferentes meios de têmpera, com diferentes capacidades de extração de 
calor 
 Quanto mais rápido for o meio de resfriamento menor será a temperabilidade 
necessária, entretanto altas velocidades de resfriamento estão associados a 
severos choques térmicos 
 Óleo 
 
 
 
 
 Água severamente agitada 
Diâmetro Temperatura Tempo aproximado 
Núcleo Superfìcie Diferença 
20 mm 240º C 200º C 40º C 50 s 
40 mm 280º C 200º C 80º C 80 s 
80 mm 410º C 200º C 210º C 115 s 
160 mm 590º C 200º C 390º C 180 s 
Diâmetro Temperatura Tempo aproximado 
Núcleo Superfìcie Diferença 
20 mm 275º C 200º C 75º C 13 s 
40 mm 390º C 200º C 190º C 16 s 
80 mm 600º C 200º C 400º C 18 s 
160 mm 740º C 200º C 540º C 20 s 
Estágios de Resfriamento 
 
 A têmpera em um meio líquido pode ocorrer em três 
estágios: 
 1°Estágio: quando o aço é introduzido forma-se uma 
camada de vapor que rodeia o metal e o resfriamento se faz 
por condução e radiação através da camada gasosa 
 2°Estágio: A película de vapor vai desaparecendo e dando 
lugar à formação e desprendimento de bolhas 
 3°Estágio:resfriamento se dá por condução e 
convecção.Durante este estágio ocorre a transformação 
martensítica 
 
Meios de Têmpera mais empregados 
 Os meios de têmpera mais utilizados são 
 Água 
 Salmoura 
 Óleo 
 Banho de sais ou metal fundido (Ex. Pb) 
 Ar 
 Solução de polímeros 
 Soda cáustica 
 
Têmpera em salmoura 
 
 O termo salmoura refere-se á solução aquosa contendo 
diferentes quantidades de cloreto de sódio (NaCl) ou cloreto de 
cálcio (CaCl2). As concentrações de NaCl variam entre 2 à 
25%, entretanto, utiliza-se como referência a solução contendo 
10% de NaCl. 
 
 As taxas de resfriamento da salmoura são superiores às 
obtidas em água pura para a mesma agitação. A justificativa é 
que, durante os primeiros instantes da têmpera, a água evapora 
com contato com a superfície metálica e pequenos cristais de 
NaCl depositam-se nesta. Com o aumento da temperatura, 
ocorre a fragmentação destes cristais, gerando turbulência e 
destruindo a camada de vapor. 
 
Têmpera em salmoura 
 Principais vantagens: 
Taxa de resfriamento maior que da água 
Temperatura de têmpera menos crítica 
Resfriamento mais uniforme, ocasionando menor 
distorção das peças 
 
 Desvantagens: 
Controle das soluções 
Custo mais alto 
Natureza corrosiva da solução 
 
Têmpera em água 
 
 A água atinge alta taxa de resfriamento e é usada quando não 
resulta em excessiva distorção ou trinca da peça. 
 Utilizada para o resfriamento de metais não ferrosos, anos 
inoxidáveis austeníticos. 
 Os valores mais elevados de dureza são obtidos com 
temperatura de 15°C a 25°C, pois acima dessa temperatura há 
o favorecimento de formação de estruturas mais moles pelo 
prolongamento do 1°estágio. 
 
Têmpera em água 
i) o arrefecimento é irregular, dado coexistirem 
vulgarmente diferentes etapas do processo de 
arrefecimento após a imersão da peça, o que 
promove a instalação de gradientes térmicos 
elevados; 
ii) a primeira etapa de arrefecimento é longa; 
iii) a terceira etapa do arrefecimento ocorre, em geral, 
a temperaturas inferiores a Ms; 
iv) provoca corrosão superficial das peças; 
v) promove o crescimento de fungos nos tanques de 
arrefecimento. 
 
Têmpera em óleo 
 Os óleos de têmpera são geralmente extraídos do petróleo. A 
composição do petróleo não é constante no tempo e varia ainda 
mais com a identidade da respectiva fonte; assim, as características 
dos óleos de têmpera sofrem também variações que afectam o seu 
desempenho; 
 
 As principais características que afectam o desempenho de um óleo 
de têmpera são: 
 
 i) a viscosidade, ou mais precisamente, a variação da viscosidade do 
óleo com a temperatura, 
ii) o ponto de ebulição do óleo, 
iii) a aptidão à molhagem do metal pelo óleo. 
Têmpera em óleo 
 A viscosidade do óleo deve ser baixa a temperatura elevada, para facilitar 
o transporte de calor da superfície da peça, pois a transferência de calor 
decresce exponencialmente com a viscosidade; a viscosidade do óleo 
deve aumentar a temperaturas próximas de Ms, para garantir a atenuaçáo 
da intensidade do arrefecimento durante a formação da martensite. A curvada viscosidade do óleo com a temperatura depende da composição 
química do óleo. 
 
 O ponto de ebulição do óleo deve ser suficientemente elevado para 
garantir um arrefecimento rápido a temperaturas elevadas, durante a 
segunda etapa de arrefecimento (ebulição), impedindo assim a formação 
de produtos macios; mas deve também promover um arrefecimento lento a 
temperaturas próximas de Ms, para garantir a atenuaçáo da intensidade do 
arrefecimento durante a formação da martensite. O ponto de ebulição do 
óleo depende da respectiva composição química. 
 
 Finalmente, é desejável que o óleo molhe a superfície da peça a temperar, 
o que depende da respectiva composição e eventualmente de aditivação 
específica. 
 
Têmpera em óleo 
  Os óleos de têmpera classificam-se em três grandes classes: 
a) convencionais, 
b) de arrefecimento acelerado e 
c) de têmpera em banho quente. 
 
 
Óleos convencionais –sem adição de aditivos 
 Os óleos convencionais são os mais simples e econômicos; 
podem conter aditivos para melhorar a estabilidade térmica, 
mas não os contêm para a melhoria da eficácia do 
arrefecimento. 
 
 Provocam leis de arrefecimento relativamente lentas, 
apresentando uma primeira etapa de longa duração; a 
terceira etapa provoca arrefecimentos muito lentos. 
 
 São usados para o arrefecimento de peças finas fabricadas 
em aços ligados, com elevada aptidão à têmpera. 
Óleos rápidos –mistura de óleos minerais, contém 
aditivos que fornecem efeitos de têmpera mais 
rápidos 
 Os óleos de arrefecimento acelerado são misturas de óleos 
minerais com elevada estabilidade térmica; sofrem aditivação 
para melhoria da eficácia do arrefecimento durante as duas 
primeiras etapas, normalmente constituída por gorduras 
animais, polímeros e hidrocarbonetos de elevado peso 
molecular; podem também ser-lhes acrescentados agentes 
anti-oxidantes. 
 
 A melhoria da eficácia do arrefecimento é conseguida pela 
promoção da rotura da bolha gasosa formada na primeira 
etapa, graças à adição de agentes nucleadores da ebulição 
ou pela melhoria das características de molhagem do aço 
pelo óleo. 
 
Considerações 
 Estas duas classes de óleos costumam utilizar-se no 
intervalo de temperatura entre 40 e 90°C, sendo mais 
frequente o intervalo de 50 a 70°C. O óleo utilizado a 
uma temperatura inferior ao menor valor indicado acelera 
a lei de arrefecimento das peças na terceira etapa, 
aumentando o risco de distorção; simultaneamente, o 
óleo não aquecido apresenta uma viscosidade elevada, 
o que diminui a intensidade das correntes de convecção; 
tal fato pode levar ao sobre-aquecimento localizado do 
óleo (nas regiões em contacto com a superfície das 
peças), provocando a sua inflamação. É 
desaconselhada, por razões de segurança, a utilização 
de óleos a temperaturas a menos de 50°C do respectivo 
ponto de inflamação. 
Óleos solúveis 
 Normalmente utilizados como fluidos 
refrigerantes, mas em concentrações de 3 a 15 
% são utilizados em têmpera com efeitos 
similares à água. 
 
Óleos de martêmpera – altos efeitos de têmpera 
devido à aditivos aceleradores de velocidade 
 Os óleos para têmpera em banho quente (ou 
martêmpera, adiante tratada em pormenor) 
apresentam uma estabilidade térmica muito 
elevada, podendo ser utilizados a temperaturas da 
ordem dos 200°C (em geral entre 150 e 200°C ao 
ar e entre 150 e 230°C sob atmosfera controlada); 
contêm aditivos inibidores da oxidação e da 
degradação térmica, podendo também conter 
agentes para melhoria da eficácia do arrefecimento. 
 
Têmpera em óleo - Vantagens 
 
 
 A principal vantagem dos óleos de têmpera reside 
no arrefecimento lento que provocam durante a 
fase de convecção, garantindo uma transformação 
martensítica na peça mais gradual que a 
conseguida com o arrefecimento em água; daí as 
peças arrefecidas em óleo serem menos sujeitas a 
distorções. 
 
 
 
Têmpera em óleo - Desvantagens 
 
 A contaminação pela água, que altera a severidade de 
arrefecimento; a produção de fumos (cancerígenos); 
 Risco de incêndio, se a sua temperatura atingir o ponto de 
ignição; 
 O envelhecimento dos óleos, adulterando as suas 
propriedades; 
 A eliminação dos óleos usados. 
 Temperaturas mais altas causam envelhecimento 
 Temperaturas mais baixas causam distorção na peça pelo 
efeito de tempera mais rápido e perigo de fogo pela alta 
viscosidade 
 
Têmpera em banhos de sais fundidos 
 Existem banhos de sais fundidos, com diferentes 
composições, estáveis a gamas de temperaturas muito 
variadas, desde 150 até 1300°C; para os arrefecimentos 
de têmpera apenas os sais de baixa temperatura têm 
interesse, sendo os restantes utilizados para 
recozimentos isotérmicos, austenitisações e tratamentos 
termo-químicos (estes últimos à base de cianetos). 
 
 Através da mistura em partes quase iguais de nitrato de 
potássio e nitrito de sódio preparam-se sais que fundem 
a 160°C e são estáveis até 550°C, muito utilizados como 
meio de arrefecimento de têmpera e também como meio 
de execução de revenidos; o poder arrefecedor da 
mistura é pouco afectado pela temperatura, mas 
favorecido de modo significativo pela agitação. 
Têmpera em banho de sais fundidos 
Composição e temperatura de trabalho de algumas misturas de sais (cf. G. 
Totten "Steel heat treatment handbook", 1997, Marcel Drekkar, tab. 4.11, p. 
240) 
 
 Sal 
 
Composição da mistura (%) 
 
NaNO3 
 
45-55 15-25 57 --- 
NaNO 
 
--- 23-55 43 53 
KNO3 
 
45-55 45-55 --- 47 
Temperatura de trabalho 
(ºC) 
 
260-595 175-590 230-550 160-550 
Têmpera em banho de sais fundidos 
 As severidades dos sais são próximas das dos óleos, com a 
enorme vantagem de se poderem utilizar a temperaturas 
superiores; são isentos de riscos de incêndio e não libertam 
fumos; valores de temperatura de utilização exagerados 
originam a decomposição dos sais. Dada a sua estabilidade a 
temperaturas superiores a Ms, a utilização de banhos de sais é 
particularmente útil para a execução do tratamento de 
martêmpera. 
 
 Os banhos de sais podem receber injecções de água (da ordem 
de 1%) para incrementarem a respectiva severidade; estas 
injecções tornam a mistura explosiva, se esta for utilizada a 
temperaturas exageradas; a incompatibilidade da água com os 
banhos de sais é aliás facilmente observável se nestes se 
introduzirem peças húmidas, que de imediato provocam uma 
enérgica projecção de sal perigosa para o operador. 
Têmpera em ar 
 
 Como a água, o ar é um meio de tempera antigo, comum e 
barato. 
 
 A aplicação do ar forçado como meio de têmpera é mais 
comum em aços de alta temperabilidade como aços-liga e 
aços-ferramenta. Aços carbono não apresentam 
temperabilidade suficiente e, conseqüentemente, os valores de 
dureza após a têmpera ao ar são inferiores aos obtidos em 
óleo, água ou salmoura. 
 
 Como qualquer outro meio de têmpera, suas taxas de 
transferência de calor dependem da vazão. 
 
Têmpera em solução de polímeros 
 
 Essas soluções são utilizadas como meio intermediário 
entre água e óleo. 
 
 Isto porque a água se torna inadequada algumas vezes 
devido à formação de trincas enquanto que o óleo 
possui capacidade de extração de calor relativamente 
baixa. 
 
 Com a seleção de um polímero básico, através do 
controle de sua concentração e do procedimento de 
têmpera é possível cobrir toda uma faixa intermediária 
entre óleo e água com tão pequenos incrementos 
quanto se queira.Têmpera em solução de polímeros 
 São de alto peso molecular. 
Ex: o mais frequente o poli alquil glicol (abreviado na literatura anglo saxónica 
por PAG); poli vinil pirrolidona (PVP), poli acrilato de sódio (PSA) e a poli etil 
oxazolina (PEOX). 
 
 Contêm ainda adições de inibidores de corrosão, sendo vulgar o uso de 
nitrito de sódio e sais aminados. 
 
 As percentagens de adição de polímero à água variam entre 3 e 30%, 
diminuindo o poder arrefecedor com o teor em polímero. 
 
 As temperaturas de utilização das soluções oscilam entre 35 e 50°C. 
 
 A agitação é o terceiro parâmetro controlador da severidade do 
arrefecimento, crescendo esta com a intensidade daquela. 
Têmpera em solução de polímeros 
PAG e PEOX 
 
 Solubilidade em água decrescente com a elevação da 
temperatura; dissolvem-se à temperatura ambiente, tornando-
se insolúveis a uma temperatura dependente da natureza do 
polímero, grau de degradação e aditivos; 
 
 Temperatura ocorre na gama entre 65 e 85°C; a temperatura à 
qual o polímero se torna insolúvel designa-se por temperatura 
de separação, pois a partir deste valor a solução separa-se em 
duas fases. 
 
Processo de formação do filme 
 Durante a primeira etapa: a solução aquosa aquece e o polímero, 
torna-se insolúvel, isola a peça, formando um filme sobre a sua 
superfície; concentrações de polímero elevadas favorecem espessuras 
mais elevadas do filme; temperaturas de solução elevadas e baixa 
intensidade da agitação tornam o filme mais estável; este 
comportamento justifica o sentido da variação da severidade do 
arrefecimento das soluções de polímeros. 
 
 Com a descida da temperatura da peça, o filme de polímero sofre 
rotura e dissolve-se na solução aquosa; a viscosidade da solução de 
polímero afeta a taxa de arrefecimento; a viscosidade da solução 
aumenta exponencialmente com o peso molecular do polímero e faz 
diminuir exponencialmente a transferência de calor. 
 
 É importante que o filme de polímero envolva a peça de modo 
uniforme, o que implica uma agitação optimizada e um volume de 
solução que assegure polímero em quantidade suficiente. 
 
Têmpera em solução de polímeros 
4,3 s 8,3 s 12,3 s 
6 s 6,35 s 7,65 s 
Comparação do processo de resfriamento de: A) um óleo mineral e B) uma 
solução aquosa de polímero 
CANALE LCF, TOTTEN GE, CANALE AC, POLÍMEROS DE TÊMPERA À BASE DE PAG,Minerva, 3(2): 209-214 
A B 
Vantagens 
 As soluções de polímeros apresentam a vantagem 
singular de permitirem ao utilizador o doseamento quase 
por medida das respectivas severidades de 
arrefecimento, que assim se podem adaptar às 
necessidades das diferentes cargas a tratar, constituindo 
pois um meio muito flexível. 
 
 Muito estáveis durante a sua utilização, não 
apresentando tendência para se oxidarem nem para se 
decomporem termicamente. 
 
 Não libera fumos e não implica qualquer risco de 
incêndio. 
Desvantagens 
A principal desvantagem apontada a estas soluções 
é: 
 
Provocar leis de arrefecimento muito elevadas a 
temperaturas da ordem dos 300°C (francamente 
superiores às dos óleos); através da aditivação é 
possível atenuar este inconveniente. 
 
 
Têmpera em soda cáustica 
 
 Soluções aquosas de soda cáustica são também 
utilizadas em 5 a 10% de concentração 
 O desempenho é similar ao das soluções de 
salmoura, porém não apresenta comportamento 
corrosivo 
 Essas soluções são utilizadas para processos de 
grande produção enquanto que a salmoura é 
adequada para aplicações pequenas de têmpera em 
ferramentas 
 
Erros Cometidos na Têmpera 
 Causas mais frequentes residem em aspectos defeituosos na 
execução do tratamento. 
 Dureza inferior ao esperado: 
Aquecimento insuficiente 
Arrefecimento lento Voltar a temperar 
Revenido elevado 
Descarbonização superficial 
 Deformações: 
Aquecimento exagerado 
Aquecimento não uniforme Recozido de amaciamento 
Arrefecimento demasiado brusco e nova têmpera(desempeno) 
Posição de têmpera incorreta 
 
“Não há conquistas fáceis. São as estradas sinuosas 
que levam ao caminho certo. O profissional, em 
qualquer ofício, alcançará o triunfo a partir de um 
espírito tenaz, forte, obstinado” 
Afonso Opazo