RT_ECM_MACO1_02

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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE GOIÁS
CÂMPUS ANÁPOLIS
BACHARELADO EM ENGENHARIA CIVIL DA MOBILIDADE
WAGNER OLIVEIRA DE ARAUJO
MARCOS AURÉLIO VIANA BORGES
NEILSON SCHILINI PASSOS
METAIS E PRODUTOS SIDERÚRGICOS: AÇO
Anápolis (GO)
2018
WAGNER OLIVEIRA DE ARAUJO
MARCOS AURÉLIO VIANA BORGES
NEILSON SCHILINI PASSOS
METAIS E PRODUTOS SIDERÚRGICOS: AÇO
Relatório de Pesquisa
Orientador: Prof. Eng. Fabrício Guimarães
Anápolis (GO)
2018
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1: Processo básico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Figura 2: Características químicas do sínter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Figura 3: Temperatura de sinterização versus densidade. . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Figura 4: Pelotização. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Figura 5: Fluxo do processo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Figura 6: Em 1969, a Vale inaugurou a sua primeira usina de pelotização, na unidade
de Tubarão (ES). Logo a pelota ganhou destaque como um dos principais pro-
dutos da Vale, por seu valor agregado e pelo seu maior aproveitamento do
material que antes era descartado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Figura 7: Tratamento térmico temperatura × tempo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Figura 8: Recozimento pleno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Figura 9: Zona de austenitização. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Figura 10: Tratamento térmico temperatura × tempo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Figura 11: Zona crítica e zona de austenitização. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Figura 12: Resfriamento e teor de carbono. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Figura 13: Obtenção da martensita. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Figura 14: Curva RC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Figura 15: Tenacidade. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Figura 16: Dureza versus temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Figura 17: Energia absorvida versus temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Figura 18: Temperatura × tempo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Figura 19: Formação de martensita. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Figura 20: Aço SAE 1040 e 3340. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Figura 21: Tratamento a frio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Figura 22: Resistência de desgaste. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Figura 23: Diversos tipos de molas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Figura 24: Teor de carbono. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Figura 25: Estrutura resultante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Figura 26: Forno para cementação líquida- com aquecimento externo. . . . . . . . . . . . 26
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 DESENVOLVIMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1 Processo de Aglomeração de Minérios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Sinterização (Granulometria Grosseira) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2 Pelotização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.3 Tratamento Térmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.4 Tratamento a Frio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.5 Tratamento termoquímico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3 CONCLUSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4
1 INTRODUÇÃO
Entende-se por metal, do ponto de vista tecnológico, um elemento químico que existe
como cristal ou agregado de cristais, no estado sólido, caracterizado pelas seguintes propriedades:
alta dureza, grande resistência mecânica, elevada plasticidade (grandes deformações sem ruptura),
relativamente alta condutibilidade térmica e elétrica.
Constituem os metais um dos grupos mais importante entre os materiais de construção,
mercê das propriedades mencionadas que os fazem aptos a um sem-número de empregos do campo
da Engenharia.
Acresce ainda que a possibilidade da obtenção das ligas metálicas, melhorando ou me-
lhorando certas propriedades, fez alongar ainda mais o seu campo de aplicação [1, 2, 3].
O objetivo deste trabalho é descrever o processo de sinterização e pelotização do aço. E
analisar a influência dos metais no tratamento: térmico, termoquímico e a frio.
Este trabalho foi desenvolvido em três (3) seções a seguir, na seção 2 Desenvolvimento
são apresentadas as seguintes subseções 2.1 Revisão de Literatura.
Na seção 3 Conclusão apresentará os principais resultados obtidos, vinculados a investi-
gação.
5
2 DESENVOLVIMENTO
2.1 Processo de Aglomeração de Minérios
2.1.1 Sinterização (Granulometria Grosseira)
Antigamente o minério de ferro utilizado em siderurgia era a hematita compacta devido
ao seu elevado teor de Fe2O3 (aproximadamente 97 %). Por outro lado, esse minério apresentava
baixa reatividade e alto custo de transformação. Como consequência, passou-se a utilizar o itabirito
em alto forno, pois apesar de apresentar um teor sensivelmente mais baixo (cerca de 50 % de
Fe2O3 e 50 % de SiO2) é bem mais facilmente moído e concentrado, permitindo a obtenção de
“sinter feed” e “pellet feed”. Utiliza-se “blue dust” (abaixo de 150 malhas e 97 % de Fe2O3) para
acertar a superfície específica do “pellet feed”. Deve ser observado que na sinterização de sulfetos
deve-se antes transformar o sulfeto em óxido para depois sinterizá-lo.
Sinterização de finos - É um processo de aglomeração no qual a utilização de calor permite
transformar uma massa de granulometria fina em carga bitolada. O material sinterizado é mais
poroso, o que garante melhor percolação pelos gases no alto forno, porém, por outro lado, apresenta
menor resistência mecânica, pó ser menos denso do que o minério compacto.
O mecanismo de sinterização é a difusão no estado sólido, porém esta está associada ao
calor, ou seja, às altas temperaturas, diminuindo a energia superficial das partículas, diminuição
que se constitui na força motriz do processo. Assim, são necessários tempo e temperatura sufi-
cientes para que a sinterização se complete. Reforçando o que foi mencionado antes, a presença
de poros entre as partículas sinterizadas permite a passagem dos gases, o que aumenta a reativi-
dade/produtividade.
Utiliza-se fundentes para formar a fase líquida, o que aumenta a rapidez da produção
e a qualidade do produto, pois a difusão no estado líquido é maior, aumentando a velocidade
de sinterização. O minério é basicamente constituído por Fe2O3 misturado com SiO2 e Al2O3,
possuindo baixos teores de P2O5. Os fundentes são basicamente óxidos básicos, como CaO e
MgO, e aumentam a resistência mecânica, ao forma uma estrutura vítrea, quando ocorre a reação
com a ganga (impurezas ou parte do minério sem aproveitamento econômico para a extração de
metais). Essa fase líquida ao solidificar forma uma rede envolvendo a hematita (Fe2O3), o que
6
também aumenta a resistência mecânica.
O produto sem aglomerante (minério e poros) possui maior reatividade, porém menor
resistência mecânica, pois formam-se poros e trincas devido à redução de Fe2O3para Fe3O4,
deste óxido para FeO e deste para o metal (Fe), havendo variações volumétricas associadas a essas
transformações. No minério com aglomerante a rede vítrea formada (inerte) limita as variações
volumétricas associadas a essas reduções. Durante a percolação da carga pelos gases no alto forno,
os finos prejudicam a homogeneidade da passagem de gás.
2.1.1.1 O Processo completo compreende as seguintes etapas (Figura 1):
a) Introdução de minério, fundentes, água e combustível sólido (finos de coque ou de carvão
vegetal).
b) Mistura.
c) Sinterização: introdução de calor e saída de gases.
d) Tratamento mecânico: britagem do sínter para atingir a granulometria adequada. Produz finos
de retorno que são reintroduzidos em (a).
Figura 1: Processo básico.
Fonte: [4]
2.1.1.2 Existem dois mecanismos básicos de sinterização
a) Transferência de calor do sínter para o ar frio e do ar aquecido para a camada inferior ainda não
sinterizada.
b) Reações químicas de combustão do coque (e as que se originam dessa reação). 85% da energia
do processo de sinterização são originários do combustível (coque fino), mas os outros 15%
vêm da ignição (do queimador).
7
2.1.1.3 Parâmetros que influem na sinterização
a) Minério fino: 650 kg/ton (material do sinter feed com cerca de 1 a 8 mm);
b) Minério grosso: 45 kg/ton. Os itens “a” e “b” constituem a alimentação metálica, que também
é composta por:
c) Bedding (sínter para forramento): 125 kg/ton.
d) Carepa de laminação (óxidos bem puros): 33 kg/ton;
e) Sínter de retorno (finos de retorno): 480 kg/ton.
Figura 2: Características químicas do sínter.
Fonte: [4]
2.1.1.4 Fatores que influem na queda de temperatura dos gases nas últimas caixas de vento:
a) Falta de combustível (quantidade insuficiente) ou granulometria muito fina: influem no con-
sumo total.
b) Excessiva permeabilidade do leito: menor tempo de residência dos gases no leito, acarretando
menor transferência de calor do sínter para o gás.
2.1.1.5 Fatores que influem na elevação da temperatura dos gases (aferida com termopar) (Fi-
gura 3):
a) Sínter muito compactado: os gases ficam com maior tempo de residência no sínter;
b) Excesso de combustível na mistura.
8
Figura 3: Temperatura de sinterização versus densidade.
Fonte: [4]
2.1.1.6 A qualidade do sinter leva em consideração os seguintes fatores:
a) Manuseio e transporte: está relacionado com a resistência mecânica e tem por objetivo minimi-
zar a geração de finos: são necessários testes de resistência à compressão e tamboreamento.
b) Reatividade: significa redutibilidade no caso dos minérios de ferro. A redução aumenta com o
tempo e com o aumento da redutibilidade. Entretanto, se a redutibilidade for muito alta, a
resistência mecânica será muito baixa. A redutibilidade é uma característica importante para
o sínter que será usado como carga no alto forno.
Assim, deve haver um compromisso entre redutibilidade e resistência mecânica. Con-
trolando o processo de redução, é possível controlar a posição dentro do forno na qual ocorre a
redução. Além de formar fase líquida com o objetivo de aglomerar o sínter, os fundentes escorifi-
cam a ganga ácida (rica em SiO2), formando uma escória com composição próxima à da ideal para
uso no alto forno, evitando adição posterior de hidróxidos e carbonatos de cálcio (desidratação e
calcinação, que consomem energia), ocorrendo a refusão da escória do sínter. A coqueificação
gera muitos finos, que podem ser utilizados na sinterização, mas não no alto forno.
2.1.2 Pelotização
A Pelotização tem uma função muito importante. Afinal, é graças a ela que existem
pontes, carros, aviões, bicicletas, eletrodomésticos e grande parte dos produtos que utilizamos em
nosso dia a dia. Eles são todos feitos de aço produzido nas siderúrgicas. Para a sua obtenção, uma
importante matéria-prima utilizada é a pelota, cuja transformação, a partir de frações ultrafinas de
minério de ferro, se dá nas usinas de pelotização (Figura 4).
É um processo que permite granulometria mais fina e sua alimentação é realizada com
“pellet feed”. Na concentração do minério, gera-se “sinter feed” e “pellet feed”. O “sinter feed”
apresenta alto teor de ganga, devido à sua maior granulometria. O “pellet feed” é um material mais
fino, com excelente liberação, já que apresenta alta concentração de ferro, ou seja, baixo teor de
9
Figura 4: Pelotização.
Fonte: [4]
ganga.
O minério concentrado geralmente é transportado em pilhas de homogeneização (de com-
posição) e encaminhado para a moagem (com o objetivo de aumentar a superfície específica), que
resulta em granulometria mais fina, aumentando a reatividade, e é realizada com bolas metálicas
ou de maneira autógena (partículas de minério fragmentando-se ao se chocarem umas contra as
outras). O consumo causado pelo desgaste das bolas é elevado, uma vez que a hematita (Fe2O3)
é um óxido duro. A moagem reduz a granulometria de abaixo de 100 malhas (“mesh” em inglês)
para abaixo de 325 malhas, que corresponde a cerca de 90% do material moído. Todo o processo
de moagem é realizado em circuito fechado, de modo que o material mais grosseiro retorna e os
finos são espessados.
O material para ser pelotizado deve apresentar alta superfície específica (baixa granulo-
metria): cerca de 1,5 m2/g. Os catalisadores apresentam superfície específica de 50 a 100 metros
quadrados por grama. A redução parcial gera poros e trincas, aumentando a superfície específica.
O minério natural é submetido a tratamentos químicos/precipitação química, provocando variação
granulométrica. No minério cominuído a superfície específica é determinada pela superfície ex-
terna. A entrada do gás redutor e a saída de oxigênio acarretam o surgimento de poros e trincas,
devido à variação volumétrica associada. A superfície específica pode ser considerada como o
somatório de todas as superfícies existentes no sólido, internas e externas, considerando poros e
outros defeitos. Consequentemente, quanto maior o número e menor a dimensão, maior a superfí-
cie específica.
Sólidos espessados (a partir do material com granulometria inferior a 325 malhas) passam
pelo filtro a disco e saem com muita água, sendo necessário acertar o teor, dentro de limites muito
estreitos. Quando a quantidade de água é insuficiente, o material fica muito seco, mas quando a
quantidade de água é excessiva, forma-se lama, gerando pelotas. Assim, deixa-se margem de água
para adicionar no disco de pelotização. Adiciona-se CaO/fundentes em menor quantidade do que
na sinterização, assim o “pellet feed” apresenta menor quantidade de ganga do que o “sinter feed”.
Deste modo, mesmo com a mesma basicidade a pelota possui menos ganga/fundentes do que o
sínter. A basicidade é expressa como a razão entre as quantidades de CaO e MgO somadas e
10
as quantidades de SiO2 e Al2O3 somadas. Existem altos fornos que trabalham preferencialmente
com pelotas.
O “pellet feed” sofre separação magnética de alta intensidade, até atingir 90% de Fe2O3.
O “sinter feed” não é submetido a esse tipo de concentração. O teor de escória do forno tem que ser
adequado à marcha de operação do mesmo. Pelotas para alto forno apresentam alto teor de escória
(ganga e fundentes) relativamente alto, ao passo que pelotas para redução direta (produção de ferro
esponja em forno a arco elétrico) possuem baixo teor de escória. Assim, existem plantas diferentes
e separadas para produzir cada tipo de pelota, cada qual com um silo dosador de cal diferente.
Após a homogeneização da mistura o material é lançado no disco pelotizador. A adição de água
à cal promove a aglutinação a verde, resultando na cal hidratada com plasticidade, viabilizando o
transporte do disco ao equipamento que vai acarretar reações em alta temperatura, endurecendo o
material.As pelotas rolam e crescem, absorvendo partículas sólidas: ao atingir tamanho crítico,
são descarregadas, e levadas à esteira onde ocorre o endurecimento. A pelotização produz um
material esférico, homogêneo (em forma e tamanho), a não ser que as condições operacionais
sejam inadequadas ao processo, mas nesse caso é possível identificar os erros. A granulometria
resultante fica entre 12 e 15 mm, havendo pequena dispersão. Geralmente quando a pelota é mais
esférica e o tamanho pouco varia, ocorre melhor distribuição deste material no forno, melhorando
a percolação dos gases.
A pelotização é mais cara e mais complexa do que a sinterização. Além disso, enquanto
a sinterização está integrada á usina/alto forno, a pelotização geralmente está integrada à mina ou
ao porto. Dois fatores que determinam a escolha do processo de aglomeração de minérios (entre
sinterização e pelotização) são o tipo de minério (fator técnico) e a capacidade de investimento do
empreendedor (fator econômico). As pelotas verdes, ainda úmidas, não apresentam boa resistência
mecânica. É possível endurecê-las por duas maneiras: a frio ou a quente.
Na aglomeração a frio, resinas, cimentos e alcatrão conferem melhor resistência mecâ-
nica mesmo à temperatura ambiente. Este processo apresenta como desvantagens: a redução e
a temperatura diminuem a resistência mecânica, e quanto mais intensa a aglomeração, menor a
reatividade.
Na aglomeração a quente, processo mais importante, no forno de grelha as reações ocor-
rem individualmente em cada pelota, ao contrário do processo global em todo o “bolo” do sínter.
Caso as pelotas grudem umas nas outras, a própria vibração mecânica separa as pelotas, quebrando
as ligações estreitas. Depois as pelotas são descarregadas e embarcadas (Figura 5).
11
Figura 5: Fluxo do processo.
Fonte: [4]
2.1.2.1 O endurecimento das pelotas pode ocorrer em três tipos de fornos:
a) Grelha móvel: o material não sofre movimento significativo ao longo do forno.;
b) Forno rotativo: quando a grelha é mais curta o restante do material é adicionado no forno
rotativo, que acarreta solicitação mecânica, abrasão, choque e pressão, gerando finos, uma
vez que as pelotas assim produzidas não são tão esféricas.
c) Forno de cuba: é mais adequado para minério magnético. A energia de oxidação da Fe3O4
(atmosfera oxidante) é liberada em maior quantidade e fornecida ao ciclo térmico como parte
da energia total para a pelotização. O forno de cuba deve ser alimentado com pelotas verdes,
uma carga sólida que deve ser percolada pelos gases ascendentes resultantes da queima de
combustível na câmara de combustão. A temperatura dos gases chega à faixa de 1300 a
1400oC: o choque térmico nas pelotas verdes acarreta a desintegração do material: as pelo-
tas verdes devem apresentar considerável percentual de aglomerantes, porém mesmo assim
ocorre certa geração de finos. O restante do alto forno é utilizado para o resfriamento da
carga. Quando a altura do forno é maior, ocorre melhor distribuição de temperaturas. Por
outro lado, quando a altura do forno é excessiva, a altura da coluna de material também é
excessiva, gerando uma pressão muito intensa sobre o material seco, que foi aquecido pelos
gases, os quais transferiram calor para este material, formando uma zona de transferência de
calor estreita, gerando muitos finos.
No forno rotativo e na grelha móvel as pelotas são formadas com menor homogeneidade
de tamanhos e com menor esfericidade. O material vai para a grelha móvel e no final desta já sofre
certa sinterização (a cerca de 900oC), entrando no forno rotativo com certa resistência mecânica:
o aquecimento no forno rotatório, do fim para o começo, completa o ciclo térmico. A eficiência
do processo é menor do que na grelha móvel, na qual a menor solicitação mecânica gera menor
12
quantidade de finos. No forno rotatório são atingidas altas temperaturas perto da zona de descar-
regamento: os gases que percolam a carga no forno rotativo são usados para aquecer o material na
grelha móvel.
A aglomeração na pelotização é feita por queima de combustível externo á mistura (queima
de óleos, gás natural e outros combustíveis), ao contrário da sinterização, pois neste caso o próprio
sínter já contém o combustível. Na grelha o material percola a mesma sem choque significativo
(estatisticamente) durante a secagem, o preaquecimento, a queima e o resfriamento. Na grelha mó-
vel quem circula são os gases, transferindo calor para a carga. Este equipamento é mais eficiente e
moderno (Figura 6).
Figura 6: Em 1969, a Vale inaugurou a sua primeira usina de pelotização, na unidade de Tubarão
(ES). Logo a pelota ganhou destaque como um dos principais produtos da Vale, por seu valor
agregado e pelo seu maior aproveitamento do material que antes era descartado.
Fonte: [4]
2.1.3 Tratamento Térmico
Tem por objetivo provocar mudanças nas propriedades físicas e mecânicas do aço propor-
cionando dureza, elasticidade, ductilidade e resistência à tração e pode ser definido como sendo o
aquecimento ou resfriamento controlado dos metais feito com a finalidade de alterar essas propri-
edades sem alterar a forma do produto final.
Neste processo existem três fatores responsáveis por essas mudanças como sendo:
a) Temperatura de aquecimento;
b) Velocidade de resfriamento;
c) Composição química do material.
Os benefícios que podem ser conseguidos através da utilização de tratamentos térmicos
em peças e perfis de aço são inúmeros. Existem tratamentos para amolecimento e para endure-
cimento de aços, além de tratamentos que promovem o refino de grão. Os tratamentos podem
13
também ser classificados em tratamentos que alteram a estrutura e as propriedades da peça toda ou
em tratamentos superficiais que condicionam propriedades somente na superfície (Figura 7).
Figura 7: Tratamento térmico temperatura × tempo.
Fonte: [4]
Dentre as principais vantagens dos Tratamentos Térmicos nos metais podemos citar:
a) Remoção de tensões internas (oriundas de resfriamento desigual, trabalho mecânico dentre
outras situações);
b) Aumento ou diminuição da dureza;;
c) Aumento da resistência mecânica;
d) Melhora da ductilidade;
e) Melhora da usinabilidade;
f) Melhora da resistência ao desgaste;
g) Melhora das propriedades de corte;
h) Melhora da resistência à corrosão;
i) Melhora da resistência ao calor;
j) Modificação das propriedades elétricas e magnéticas.
No entanto, antes de iniciar o Tratamento Térmico, é preciso conhecer as características
do aço, principalmente sua estrutura cristalina (arranjo ordenado de átomos).
A seguir lista-se alguns processos de Tratamentos Térmicos e sua influência nos metais.
14
2.1.3.1 Recozimento
Recozimento pleno em consequência dos processos de fabricação (fundição, lingotamento
convencional, superaquecimento, etc.) as barras e tarugos de aço podem acumular tensões e apre-
sentar microestruturas heterogêneas com exagerado tamanho de grão e dureza elevada. O Recozi-
mento pleno é feito com o objetivo de reduzir o máximo a dureza do aço. Por meio do Recozimento
pleno é possível aumentar a ductilidade e a usinabilidade do aço além de controlar seu tamanho de
grão. Utiliza-se este tratamento quando na sequência de fabricação o aço deve sofrer elevado grau
de deformação ou a peça deve ser usinada. O Recozimento pleno garante ductilidade a peças que
em outras circunstâncias apresentariam comportamento frágil Figura(8).
Figura 8: Recozimento pleno.
Fonte: [4]
O Recozimento pleno consiste em elevar lentamente a temperatura do aço até aproxima-
damente 50 oC acima da zona crítica (austenitização total), no caso dos aços com teor de carbono
menor que 0,8%. A formação de austenita em alta temperatura destrói todas as estruturas exis-
tentes anteriormenteao aquecimento. No resfriamento formam-se a ferrita e a perlita grossa que
garantem amolecimento do material. Para os aços com teor de carbono maior que 0,8% (52100) o
recozimento é feito em temperatura 50 oC acima do limite inferior da zona crítica Figura(9).
Figura 9: Zona de austenitização.
Fonte: [4]
O aço é mantido na temperatura por um tempo suficiente para que a estrutura se torne
austenítica ou uma mistura de austenita + cementita e em seguida é resfriado dentro do forno com
15
uma velocidade de aproximadamente 25 oC/h, até aproximadamente 50 oC abaixo da zona crítica.
A partir desta temperatura o aço pode ser resfriado ao ar. É importante que a passagem pela faixa
de temperaturas em que ocorre a transformação seja bastante lenta para que se forme perlita grossa,
perlita esferoidizada e cementita esferoidizada na estrutura do material. Na tabela abaixo é possível
obter as temperaturas de austenitização e os ciclos de resfriamento para aços com diferentes teores
de carbono, bem como suas durezas Figura(10).
Figura 10: Tratamento térmico temperatura × tempo.
Fonte: [4]
2.1.3.2 Normalização
A Normalização do aço é feita quando se deseja refinar o grão do material. O aço com
grãos grandes tende a apresentar maior heterogeneidade de propriedades e maior fragilidade. O
refino de grão garante maior homogeneidade de propriedades, e maior tenacidade. O tratamento
térmico de Normalização consiste no aquecimento do aço até 60 oC acima do limite superior
da zona crítica (A3 ou Acm), sempre garantindo austenitização total do material. Em seguida é
retirado do forno e deixado resfriar ao ar natural. A estrutura resultante é de pequenos grãos de
ferrita e perlita fina. Esse tratamento é bem mais barato que o de recozimento pleno, pois o forno
pode ser desligado logo após o fim do período de austenitização.
Figura 11: Zona crítica e zona de austenitização.
(a) (b) (c)
Fonte: [4].
A principal diferença entre os tratamentos de Recozimento pleno e de Normalização é
que as peças tratadas em Recozimento pleno apresentam ductilidade e usinabilidade homogêneas
16
em todas as regiões, já que a peça toda fica exposta ao ciclo de resfriamento. Já no caso da
peça normalizada a velocidade de resfriamento não é uniforme. Seções mais espessas resfriam
mais lentamente do que seções mais finas. Como a velocidade de resfriamento é heterogênea, a
microestrutura e as propriedades (usinabilidade e conformabilidade) também o são. Caso se deseje
usinar a peça nas etapas subsequentes de fabricação é melhor fazer o Recozimento pleno.
2.1.3.3 Tempera
O tratamento consiste em aquecimento até uma temperatura 50 oC acima da temperatura
crítica (a mesma faixa utilizada para Recozimento pleno) e em seguida resfria-lo bruscamente em
água, óleo ou em meios de Têmpera de composição química especial (Figura 12).
Figura 12: Resfriamento e teor de carbono.
Fonte: [4]
O objetivo do tratamento de Têmpera é obter martensita na estrutura do aço, microcons-
tituinte muito duro e frágil. Para tanto, as peças devem ser resfriadas rapidamente, para evitar a
formação de ferrita, perlita, bainita, microconstituintes mais moles que a martensita (Figura 13).
Quando se faz o resfriamento brusco do aço, durante a Têmpera, ocorre choque térmico
devido à passagem da peça de temperaturas de 850 a 900 oC para a temperatura ambiente, em
poucos segundos. O resfriamento brusco pode causar distorções e até mesmo trincas na peça,
denominadas trincas de têmpera. Entretanto, o resfriamento deve ser rápido o suficiente para
garantir que se forme martensita na superfície do material. O tempo disponível para resfriamento
é dado pela distância do cotovelo da curva RC ao eixo das temperaturas. Quanto mais deslocada
para a direita a curva RC, mais fácil é temperar o aço.
Quando a velocidade de resfriamento é alta, estabelecem-se grandes diferenças de tem-
peratura entra a superfície e o centro da peça, pois a superfície em contato direto com o meio
refrigerante resfria rápido, enquanto o núcleo resfria mais lentamente.
17
Figura 13: Obtenção da martensita.
Fonte: [4]
Assim, quando se faz Tratamentos Térmicos de peças médias e grandes deve- se sem-
pre levar em consideração que o núcleo e a superfície, submetidos a diferentes velocidades de
resfriamento, podem apresentar microestruturas e propriedades mecânicas muito diferentes.
Isso pode ser visto na Curva RC (Figura 14), em que a superfície da peça apresenta mar-
tensita e o núcleo uma mistura de ferrita, perlita, bainita e martensita.
Figura 14: Curva RC.
Fonte: [4]
Pode-se observar que a transformação do aço na superfície ocorre em apenas 3 segundos
enquanto no núcleo inicia após 8 segundos e somente termina após aproximadamente 30 segundos.
Em princípio é possível obter o mesmo valor de dureza em aços temperados com diferentes teores
de carbono. É possível obter dureza de 50 HRC com 99,9% de martensita e 0,25% C ou com 95%
de martensita e 0,35% C, ou com 90% de martensita e 0,4% C, ou com 80% de martensita e 0,45%
C ou ainda com 50% de martensita e 0,6% C. Na Figura abaixo observa-se que quanto maior é o
teor de carbono do aço, maior é a dureza da martensita obtida.
É preciso ter em mente que quanto maior é o teor de carbono mais frágil é o aço. Da
mesma forma, quanto mais heterogênea é a estrutura do aço (mistura de martensita, bainita, perlita
18
e ferrita) menor é a sua resistência à fadiga. Desta forma a seleção do material deve sempre ser
feita adotando-se o menor teor de carbono compatível com a dureza desejada.
2.1.3.4 Martêmpera
Muitas vezes é conveniente submeter o aço a um tratamento de Martêmpera, que permite
eliminar a diferença de temperaturas e tempos de transformação entre a superfície e o núcleo do
aço. A Martêmpera consiste na austenitização do aço nas temperaturas usuais seguida de Têm-
pera em óleo aquecido ou em banho de sais em uma temperatura logo acima da temperatura Mi.
O tempo de manutenção nesta temperatura deve ser suficiente para equalizar a temperatura em
toda a peça, sem, entretanto, deixar que ocorra a transformação bainítica. Este tratamento é feito
com o objetivo de minimizar as distorções e as tensões residuais decorrentes das diferenças de
temperatura na superfície e no interior da peça.
A microestrutura final é martensítica, de alta dureza e baixa tenacidade. Da mesma forma
que na Têmpera convencional, esse tratamento deve ser seguido de Revenimento para aumentar a
tenacidade (Figura 15).
Figura 15: Tenacidade.
Fonte: [4]
2.1.3.5 Revenimento
O tratamento de Têmpera torna as peças muito duras, porém muito frágeis. Salvo raras
exceções as peças temperadas são sempre revenidas, visando baixar a dureza e aumentar a tenaci-
dade. Durante o revenido, a martensita com estrutura TC perde o excesso de carbono em solução
e seu reticulado cristalino vai se tornando mais próximo do da ferrita, sem distorção e sem acú-
mulo de tensões mecânicas. Quanto mais alta a temperatura de revenido, menor é distorção do
reticulado, menor é a dureza e maior é a tenacidade do aço. Nos aços para construção mecânica,
de baixa liga e alta resistência, a dureza cai continuamente com a temperatura de revenido, como
mostra a (Figura 16).
19
Figura 16: Dureza versus temperatura.
Fonte: [4]
Existe uma faixa de temperaturas em que o revenido deve ser evitado, pois, a tenacidade é
bastante prejudicada. Este fenômeno chama-se fragilidade azul ou fragilidade dos 500 oF (260 oC).
O nome fragilidade azul deve-se ao fato de que na faixa de temperaturas em que essa fragilidade
ocorre, forma-se uma película de óxido azulada, conforme se vê na tabela abaixo, que mostra as
cores do revenido de aços ao carbono. A (Figura 17) mostra a queda de energia absorvida no
ensaio de impacto, na faixade temperaturas entre 260 e 375 ◦C (500 a 700 ◦F).
Figura 17: Energia absorvida versus temperatura.
Fonte: [4]
2.1.3.6 Austêmpera
A Austêmpera é também, um tratamento térmico para endurecimento de aços. Na Aus-
têmpera, após austenitização feita de maneira semelhante àquela realizada para Têmpera conven-
cional, o aço é mergulhado em um banho constituído de uma mistura de sais fundidos, mantido
20
a temperatura constante, entre 250 e 450 oC. O resfriamento feito em banho de sais visa evitar a
formação de ferrita e perlita e induzir a formação de bainita nas peças. A bainita é uma estrutura
que tem dureza semelhante à da martensita revenida, porém, maior tenacidade. Se compararmos
duas barras de um mesmo aço, uma temperada em óleo e revenida a 200 oC e outra austemperada
a 325 oC, ambas com a mesma dureza de 54 HRC, a barra temperada apresenta menor valor de
energia absorvida no ensaio de impacto que a barra austemperada, portanto menor resistência ao
impacto (Figura 18).
Figura 18: Temperatura × tempo.
Fonte: Os autores
2.1.3.7 Têmpera por indução
É uma técnica de endurecimento superficial bastante utilizada em aços. O aquecimento
da peça é feito superficialmente por indução. Uma ou mais bobinas, alimentadas por fontes de
potência induzem correntes elétricas na superfície do aço a ser tratado. As correntes aquecem o
aço por efeito resistivo. Atingida a temperatura de austenitização o aço é resfriado por jatos de
água ou de gás (nitrogênio) de modo a garantir a formação de martensita em sua superfície. O
tratamento pode ser feito em fornos e sistemas de resfriamento contínuos, como o mostrado no
esquema (Figura 19), referente a uma instalação de têmpera de tubos mecânicos.
2.1.3.8 Temperabilidade
Quando fazemos a Têmpera de peças de aço, principalmente de peças de médias ou gran-
des dimensões, resultam diferenças de dureza entre a superfície e o núcleo, em consequência das
diferenças de velocidades de resfriamento. Uma maneira de avaliar diferenças de dureza existentes
em peças de diferentes dimensões é fazer o ensaio de curvas em U em que cilindros de diferentes
diâmetros, fabricados a partir de um mesmo aço, são temperados no mesmo meio de têmpera. Após
a Têmpera os cilindros são cortados transversalmente e submetidos a medições de dureza ao longo
de seu diâmetro. A superfície temperada apresenta maior dureza enquanto o núcleo, submetido a
velocidades de resfriamento menores fica mais mole. A transição entre a região 100% temperada
21
Figura 19: Formação de martensita.
Fonte: [4]
(100% de martensita) para o núcleo não temperado é gradual e a curva em U mostra essa varia-
ção. Para cilindros muito espessos as velocidades de resfriamento superficiais são muito lentas não
sendo possível atingir a dureza máxima mesmo na superfície do aço utilizado (Figura 20).
Na (Figura 18) é possível observar as curvas em U de dois aços contendo 0,4% C (1040
e 3340) temperados em água e em óleo. A dureza máxima conseguida para os dois aços é de 59
a 60 HRC, para cilindros de pequeno diâmetro. Apesar de o aço 3340 ter quantidades apreciáveis
de elementos de liga a dureza máxima atingida na Têmpera é praticamente a mesma que a do aço
carbono. De uma maneira geral pode-se afirmar que a dureza máxima que se pode atingir em um
aço temperado depende somente do teor de carbono Observa-se na (Figura 18), também, que a
penetração de dureza no interior do cilindro do aço ligado é muito maior que a do aço 1040. Os
elementos de liga, presentes no aço, aumentam a profundidade de endurecimento por têmpera, cha-
mada de Temperabilidade. A Temperabilidade é a capacidade de um aço endurecer por Têmpera
até certa profundidade. A Temperabilidade não pode ser associada à máxima dureza do aço. A
principal razão pela qual se adicionam elementos de liga aos aços é aumentar a Temperabilidade,
ou seja, a profundidade capaz de endurecer por Têmpera.
2.1.4 Tratamento a Frio
Tratamentos sub-zero - Existem tratamentos térmicos sub-zero feitos com o objetivo de
promover a transformação da austenita retida para martensita e aumentar a dureza superficial do
aço. O tratamento consiste em resfriar a peça já temperada em nitrogênio líquido (-197 oC) ou
misturas de líquidos em temperaturas abaixo de zero grau, para que a temperatura Mf do aço seja
cruzada, permitindo que ocorra 100% de transformação (Figura 21).
É um tratamento térmico frequentemente aplicado aos aços de alto carbono, principal-
mente o aço ferramenta. A resistência ao desgaste aumenta muito após tratamento sub-zero, como
pode ser visto na (Figura 22). Um aço para rolamento pode aumentar de 2 até 5 vezes sua resistên-
cia ao desgaste quando tratado sub-zero para eliminação de austenita retida (Figura 22).
22
Figura 20: Aço SAE 1040 e 3340.
Fonte: [4]
2.1.4.1 Tratamento criogênico
Um tratamento térmico recentemente desenvolvido é o Tratamento criogênico que con-
siste em resfriar peças (mesmo que não tenham austenita retida em sua estrutura) até temperaturas
sub-zero e mantê-las nesta temperatura por várias horas. Em seguida as peças são aquecidas até
a temperatura ambiente em tempos prolongados de 8 a 20 horas. Posteriormente são revenidas
entre 150 e 600 oC para baixar a dureza e aumentar a tenacidade. São tratamentos demorados que
trazem benefícios acentuados às propriedades mecânicas do material. Sabe-se que o jateamento
com granalha é um tratamento de superfície muito importante para aumentar a resistência à fadiga
de molas carregadas dinamicamente. Há relatos de que a realização de tratamentos criogênicos
pode melhorar ainda mais a vida em fadiga destes componentes. Por exemplo, molas de válvula
de carros de corrida podem perder até 10% de sua força no início de sua vida (período de amacia-
mento). Por esta razão molas de válvulas de motores de competição sofrem duplo jateamento por
granalha, primeiro com uma granalha mais grossa e depois com granalha mais fina. O objetivo é
criar tensões residuais de compressão na superfície que aumentam a vida em fadiga do material.
Quando as válvulas sofrem tratamento criogênico após o jateamento observa-se um aumento na
vida em fadiga de 5 a 7 vezes em relação ao material simplesmente jateado. Além disso, a perda
23
Figura 21: Tratamento a frio.
Fonte: [4]
Figura 22: Resistência de desgaste.
Fonte: [4]
de força no período de amaciamento é reduzida para 3% (Figura 23).
2.1.5 Tratamento termoquímico
São os tratamentos que visam o endurecimento são os tratamentos que visam o endureci-
mento superficial dos a superficial dos aços, pela modifica os, pela modificação parcial da sua ão
parcial da sua composição química e aplica mica e aplicação simultânea de um ão simultânea de
um tratamento tratamento térmico.
Em peças como engrenagens, deseja-se um núcleo tenaz e uma superfície resistente ao
desgaste. Para essa aplicação, aços com baixo teor de carbono são submetidos ao tratamento ter-
moquímico de cementação, que eleva o teor de carbono na superfície, aumentando sua resistência
ao desgaste, ao mesmo tempo que preserva a tenacidade do núcleo, mantido com baixo teor de
carbono.
Meios para realizar o tratamento: são as fontes de C e N. Podem ser sólidos, líquidos e
gasosos. Inicialmente a cementação foi desenvolvida em meio sólido, mas esse não é o meio mais
eficiente.
Na atualidade prefere-se meios líquidos e gasosos para a realização de tratamentos ter-
moquímicos, devido à maior velocidade do processo quando realizado com esses fluidos como
meios.
24
Figura 23: Diversos tipos de molas.
Fonte: [4]
2.1.5.1 Cementação
A Cementação é um tratamento termoquímico feito para enriquecer a superfície da peça
em carbono. Um aço cementado é um aço de baixo carbono (no máximo 0,2% C), contendo ou
não elementos deliga, tratado termoquimicamente de forma a se obter teor de carbono próximo de
0,8% na superfície. A espessura de camada pode variar de 0,5 a 2,0 mm. Engrenagens de caixas
de câmbio e sistemas de transmissão são geralmente cementadas.
Como o teor de carbono não é homogêneo, ao longo da seção transversal da peça, a análise
do que ocorre no tratamento térmico é um pouco mais complicada.
Cada região no interior do material tem teor de carbono diferente e sofre diferentes trans-
formações. A temperatura de austenitização para cada uma das regiões do material é diferente.
Além disso, o carbono desloca a curva RC para direita e ao mesmo tempo abaixa a temperatura
Mi (Figura 24).
Figura 24: Teor de carbono.
Fonte: [4]
Consequentemente as estruturas resultantes da têmpera são bastante diferentes (Figura 25).
25
Figura 25: Estrutura resultante.
Fonte: [4]
2.1.5.2 Cementação Gasosa
A cementação gasosa é muito empregada na indústria, porém a limpeza superficial da
peça a ser cementada é muito importante. Possibilita o controle do potencial de carbono através do
uso de gases que contêm CO, CO2, H2, H2O e CH4. Além do controle do potencial de carbono
também é necessário o controle do potencial de oxigênio.
Para assegurar uma distribuição adequada de carbono após a cementação é realizado um
tratamento de difusão de carbono no campo austenítico.
A microestrutura resultante da cementação depende de dois fatores conjugados: variação
de velocidade de resfriamento (têmpera) e variação de composição química (difusão de carbono).
Assim, há diferentes microestruturas na superfície da peça cementada dependendo da velocidade
de resfriamento após a cementação e do teor de carbono [5].
CH4 ⇔ C +H2 (1)
80% a 90% do gás natural (gás metano)
C2H6 ⇔ C + CH4 +H2 (2)
10% a % do gás natural (gás etano)
C3H8 ⇔ C +XC2H6 + Y CH4 + 2H2 (3)
(gás propano)
CH4 ⇔ C +H2 (4)
(gás metano)
2.1.5.3 Cementação Líquida
Tratamentos de cianetação implicam no uso de sais tóxicos no estado líquido, exigindo
cuidados especiais de segurança. São realizados mediante a imersão das peças em sais fundidos
contendo cianetos (exemplo: NaCN) a temperaturas entre 850 e 900 oC, havendo dupla absorção,
26
de carbono e nitrogênio. Após tempo adequado as peças cianetadas são temperadas a partir do
banho de sais.
Em caso de necessidade de temperar novamente uma peça cianetada, esta deve ser aque-
cida num banho semelhante ao que foi utilizado para a cianetação (Figura 26).
Figura 26: Forno para cementação líquida- com aquecimento externo.
Fonte: [4]
2.1.5.4 Nitretação
O tratamento termoquímico de nitretação é realizado com a difusão do nitrogênio em (re-
lativamente) baixas temperaturas. Como consequência, resulta em menor distorção e em camadas
menos espessas do que as que são obtidas por cementação.
Como exemplo, num aço 4340 temperado, revenido e nitretado forma-se camada branca
de nitreto de alta dureza.
A nitretação em geral leva à formação de uma camada rica em compostos (entre eles
nitretos) próxima à superfície da peça, a qual é comumente conhecida como “camada branca”.
2.1.5.5 Nitrocarbonetação
O tratamento de nitrocarbonetação é utilizado na indústria com várias finalidades, princi-
palmente para aumentar a resistência à fadiga térmica e à corrosão, assim como melhorar a resis-
tência ao desgaste por atrito (propriedades tribológicas) dos aços usados para matrizes de trabalho
a quente.
Há uma camada de nitreto e carboneto (branca) de alta dureza, quando nitrocarbonetação
é realizada a 550 oC por 5 h.
27
3 CONCLUSÃO
Realizou-se uma revisão da literatura a respeito dos metais e produtos siderúrgicos com
enfase no aço. Os objetivos foram realizados em relação a descrição dos processos sem muita
profundidade da sinterização e pelotização. Analisou-se os tratamentos térmico, termoquímico e a
frio. E fica evidente da importância dos tratamentos utilizados para o aço na construção civil.
REFERÊNCIAS
[1] SPETRU. Tratamento Térmico. 2018. 1–43 p. Disponível em:
<http://www.spectru.com.br/Metalurgia/diversos/tratamento.pdf>. Acesso em: 24 ago.
2018.
[2] USP. Tratamento Térmico. 2018. 1–43 p. Disponível em: <http://www.pmt.usp.br/
pmt2402/TRATAMENTO%20T%C3%89RMICO%20DE%20A%C3%87OS.pdf>. Acesso
em: 28 ago. 2018.
[3] SENAI. Tratamento Térmico. 2018. 1–43 p. Disponível em: <http://docente.ifsc.
edu.br/claudio.schaeffer/material/2_Mecatr%C3%B4nica/Materiais_
1_Meca_2/Apostila_%20Tratamento_Termico_Complementar.pdf>. Acesso
em: 28 ago. 2018.
[4] USP. Tratamento Térmico. 2018. 1–43 p. Disponível em: <https://edisciplinas.
usp.br/pluginfile.php/4354027/mod_resource/content/3/Aula%20-%
20Tratamentos%20T%C3%A9rmicos.pdf>. Acesso em: 28 ago. 2018.
[5] INFOMET. Infomet:Tratamentos Térmicos dos Aços. 2018. Disponível em:
<http://www.infomet.com.br/site/acos-e-ligas-conteudo-ler.php?codConteudo=222>. Acesso
em: 24 ago. 2018.