22 - Martêmpera e Austêmpera

Prévia do material em texto

Martêmpera e Austêmpera
Martêmpera
Termo usado para descrever uma interrupção no resfriamento
a partir da temperatura de austenitização de certas ligas.
2
Figura 1 Ciclo térmico: martêmpera e revenimento.
Martêmpera
Ciclo térmico
✓ O aquecimento é feito acima da temperatura crítica;
✓ O resfriamento é interrompido em dada temperatura ou
feito de forma mais lenta;
▪ Em sais de resfriamento, óleo ou metal fundido.
3
Martêmpera
Ciclo térmico
✓ Em sais de resfriamento, óleo ou metal fundido.
▪ Vantagens dos banhos de sais: maior estabilidade
química; opera em uma faixa de temperatura maior;
limpeza mais fácil (solúvel em água);
▪ Desvantagens dos banhos de sais: só operacional acima
de 160 °C; riscos de explosão e ambientais.
4
Martêmpera
Ciclo térmico
✓ O meio de resfriamento deve estar a uma temperatura
correspondente ou pouco acima de Ms.
5
Ms
Martêmpera
Ciclo térmico
✓ Mantido por um tempo até equalização da temperatura do
núcleo com a superfície, porém, antes do início da
transformação bainítica.
6
Martêmpera
Ciclo térmico
✓ Resfriamento normalmente em ar → taxa lenta para evitar
gradientes elevados de temperatura entre centro e
superfície.
7
Martêmpera
Objetivo do tratamento de martêmpera
✓ Objetivo é obter a martensita em toda a seção da peça;
✓ Minimizando distorções e trincas → oriundas das tensões
de resfriamento na têmpera → diminuindo
substancialmente os gradientes térmicos.
8
Martêmpera
Vantagens em relação à têmpera convencional
✓ melhor controle dimensional;
✓ menor perda por trincas e empenos;
✓ menor nível de tensões residuais pois o aço está austenítico
enquanto resfria;
✓ maior custo.
11
Martêmpera
Vantagens em relação à têmpera convencional
A dureza de um aço martemperado e revenido é idêntica ao do aço
temperado e revenido, embora a tenacidade aumente na
martêmpera.
12
Amostra Tratamento térmico Dureza/HRC Tenacidade/J
1 Resfriado em água e revenido 53,0 16
2 Resfriado em água e revenido 52,5 19
3 Martemperado e revenido 53,0 38
4 Martemperado e revenido 52,8 33
Tabela 1 Propriedades mecânicas do aço 1095 tratado por dois métodos.
Martêmpera
Meios de martêmpera
✓ Banho de sal fundido e óleo são os mais empregados;
✓ O principal fator de escolha é a temperatura de operação;
▪ Óleo usado até 205 °C;
▪ Sais na faixa entre 160 a 400 °C.
13
Qual a vantagem de uma temperatura Ms mais elevada?
Martêmpera
Composição e poder de resfriamento dos meios
✓ Os sais comumente utilizados são misturas de nitrito de
sódio e nitrato de potássio ou nitrato de sódio com nitrato
potássio;
✓ A proporção entre os componentes depende da faixa de
operação;
14
Martêmpera
Composição e poder de resfriamento dos meios
15
Figura 1 (a) Diagrama de fase nitrito de sódio e nitrato de potássio (160 – 500 °C) e (b) 
nitrato de potássio e nitrato de sódio (250 – 550 °C).
Quais sais você usaria em uma martêmpera a 200 C?
Defina a concentração mínima e máxima de cada sal.
Martêmpera
Composição e poder de resfriamento dos meios
✓ O poder de resfriamento do sal agitado é similar ao do óleo
agitado, no entanto, a adição de água aumenta o poder de
resfriamento do banho.
16
Martêmpera
Composição e poder de resfriamento dos sais
17
Figura 3 Curvas de resfriamento para barras redondas de aço 1045 temperados com sal, água 
e óleo. Os termopares foram localizados no centro das amostras.
Martêmpera
Composição e poder de resfriamento dos sais
18
Figura 4 Efeitos do meio de têmpera e agitação na dureza do aço 1046.
Martêmpera
Vantagens do sal em relação ao óleo para martêmpera
✓ Pouca variação de viscosidade;
✓ Mantém estabilidade química→ pouco reabastecimento;
✓ Ampla faixa de temperatura;
✓ A peça pode ser limpa com água;
✓ Tempo menor de equalização de temperatura;
✓ Fácil de manusear na forma de pó.
19
Martêmpera
Desvantagens do sal em relação ao óleo para martêmpera
✓ Temperatura mínima de operação de ≈160 °C;
✓ Sais a base de cianeto apresentam risco de explosão;
✓ Explosão ou respingos podem ocorrer se peças molhadas
ou oleosas forem imersas;
✓ O sal de martêmpera pode ser contaminado pelo sal de
aquecimento afetando a severidade de têmpera.
20
Martêmpera
Óleos para martêmpera
✓ Os óleos para martêmpera oferecem altas taxas de
resfriamento durante o estágio inicial de resfriamento;
✓ Operação entre 95 a 230 °C;
✓ Manutenção em atmosfera protetora prolonga a vida útil. A
taxa de oxidação é dobrada para cada 10 °C acima de 60 °C;
✓ A oxidação forma ácido e “lodo” que pode modificar dureza
e coloração das peças.
21
Martêmpera
Vantagens do óleo em relação ao sal
✓ Pode ser usado em temperaturas menores;
✓ É fácil manusear em temperatura ambiente;
✓ Menor perda por arrasto;
✓ É compatível com todos os sais de austenitização.
22
Martêmpera
Desvantagens do óleo em relação ao sal
✓ Limitado a operar até no máximo 230 °C;
✓ Deteriora com o uso;
✓ As peças requerem maior tempo para atingir a temperatura
de equalização;
✓ A limpeza da peça é dificultada;
✓ Problemas com descarte.
23
Martêmpera
Aços para martêmpera
Qualquer aço para ser
martemperado com sucesso
deve conter C ou elementos
de liga suficientes para
deslocar o “nariz” da curva
TTT para a direita;
24
Figura 6 Diagramas de tempo-temperatura transformação para os aços 1034 e 1090.
Martêmpera
Aços para martêmpera
A combinação de Ni, Cr e
Mo (4340) causam um
“nariz duplo” na curva TTT,
esta curva representa um
aço de temperabilidade
bastante elevada.
25
Figura 7 Diagramas de transformação tempo-temperatura para os aços 4340 (Ni-Cr-Mo) 
e 5140 (Aço ao cromo).
Martêmpera
Aços para martêmpera
✓ O sucesso da martêmpera depende do conhecimento da
curva TTT dos aços;
✓ A faixa de temperatura que a martensita irá se formar é
extremamente importante;
26
O aumento no teor de C, de maneira geral, aumenta a faixa de 
transformação martensítica e diminui a temperatura Ms.
Martêmpera
Aços para martêmpera
27
Figura 5 Faixas de temperatura da formação da martensita em 14 aços.
Martêmpera
Aços para martêmpera
✓ Aços médio e baixo carbono:
▪ Até 1040, a temperabilidade é muito baixa, tornando essa
faixa não indicada para martêmpera, exceto quando
cementados;
▪ Alguns aços com teor elevado de Mn (ex: 1141) podem ser
martemperados em seções finas;
▪ A martêmpera abaixo de 205 °C aumenta tendência ao
empenamento.
28
Martêmpera
Efeito da massa/seção
✓ Em uma dada severidade de
resfriamento, haverá um
limite de espessura em que o
centro da peça não
transformará totalmente em
martensita.
29
Figura 8 Diâmetros máximos aproximados de barras que são endurecíveis por 
martêmpera, têmpera em óleo e água.
Martêmpera
Efeito da massa/seção
✓ O critério de 10 HRC abaixo do máximo valor obtido em um
dado teor de C pode ser aceitável em algumas aplicações
(aumenta a seção máxima em até 300%).
30
Tabela 2 Estruturas obtidas usando dureza no centro 10 HRC menor que a máxima obtida.
Martêmpera
Aços para martêmpera
✓ Aços para martêmpera devem possuir temperabilidade
adequada e seção correta para obtenção de martensita em
“toda” seção da peça.
✓ De uma maneira geral, aços para martêmpera devem
possuir maior teor de C e elementos de liga que aços
usados em têmpera convencional.
31
Martêmpera
Controle e variáveis do processo
✓ O sucesso da martêmpera depende de um controle preciso
das variáveis do processo;
✓ O uso de atmosfera controlada ou banho de sais durante a
austenitização é fundamental para evitar formação de
óxidos que agem como barreira durante o resfriamento em
óleo ou sal;
32
Martêmpera
Controle e variáveis do processo
✓ As principais variáveis incluem:
▪ Temperatura de austenitização;
▪ Temperatura do banho de martêmpera;
▪ Tempo de permanência no banho;
▪ Contaminação do sal;
▪ Adição de água;
▪ Agitação;
▪ Taxa de resfriamento.
33
Martêmpera
Temperatura de austenitização
✓ Controla o tamanho de grão
austenítico;✓ Grau de homogeneização;
✓ Dissolução do C → que
afeta a temperatura Ms.
34
Figura 9 Efeito da temperatura de austenitização do aço 52100 no tamanho 
de grão e temperatura Ms. 
Martêmpera
Temperatura de austenitização
35
Tabela 3 Temperatura de austenitização e martêmpera para diferentes aços. 
Martêmpera
Contaminação do sal
✓ Peças cementadas ou austenitizadas em banhos de sais
podem ser diretamente resfriadas em um banho de óleo na
temperatura de martêmpera;
✓ Por outro lado, peças austenitizadas em banhos contendo
cianetos não podem ser resfriadas diretamente em sal de
martêmpera→ incompatibilidade/risco de explosão;
36
Martêmpera
Contaminação do sal
✓ O uso de austenitização em banho neutro de cloreto, ou a
passagem por esse banho antes do resfriamento é uma
alternativa para evitar riscos;
✓ Outra alternativa seria o resfriamento em ar, limpeza e
reaquecimento.
37
Martêmpera
Ajuste da temperatura do banho de martêmpera
✓ Varia muito dependendo da temperatura de austenitização,
composição da peça e resultados esperados, no entanto,
em óleo é na ordem de 95 °C e em sal na ordem de 165 °C.
✓ Aumenta-se progressivamente a temperatura até a
obtenção da melhor relação entre dureza e distorção.
38
Martêmpera
Tempo no banho de martêmpera
✓ Depende da espessura e tipo
de peça, temperatura e grau
de agitação do meio.
39
Figura 10 Efeitos do diâmetro da peça e
agitação do banho no tempo necessário para
que os centros de barras de aço 1045 atinjam
a temperatura de martêmpera. Banho de
cloreto a 845 C → nitratro-nitrito em
diferentes temperaturas e agitações.
Martêmpera
Tempo no banho de martêmpera
✓ Como o objetivo da martêmpera é a obtenção da martensita
com mínima distorção, tempo prolongado no banho pode
levar a formação de outras fases.
✓ O tempo em óleo é 4 a 5 vezes maior que em sal (anidro), por
exemplo, uma barra de 25 mm de diâmetro pode levar 1,5 a 2
min em sal e 8 a 10 min em óleo. O tempo em sal pode cair
pela metade adicionando 0,5 a 2% de água.
40
Martêmpera
Adição de água ao sal
43
Tabela 4 Recomendação da concentração de água em diferentes temperaturas.
Martêmpera
Agitação
✓ A agitação do óleo ou do sal aumenta significativamente a
dureza da peça;
44
Relação entre dureza, espessura e agitação do meio de martêmpera em um aço 52100.
Uma agitação elevada pode conduzir a
distorção, por isso, a combinação entre
agitação moderada e adição de água é
normalmente utilizada.
Martêmpera
Resfriamento a partir do meio de martêmpera
✓ O resfriamento é feito normalmente em ar calmo;
✓ Ar forçado pode ser utilizado em peças de grande espessura,
mas com cautela;
✓ Resfriamento em água ou óleo frio deve ser evitado;
✓ O tempo de resfriamento depende da massa e espessura das
peças e da temperatura ambiente. Uma carga de 800 Kg pode
levar até 5 h para atingir a temperatura ambiente.
45
Martêmpera
Resfriamento a partir do meio de martêmpera
46
Figura 12 Efeito da espessura da peça no tempo de resfriamento.
Martêmpera
Controle dimensional
✓ O processo de martêmpera pode falhar na questão das distorções
dependendo do histórico térmico e mecânico do material;
✓ Processos de forjamento, laminação, usinagem, etc, podem gerar
tensões internas. Assim como, a etapa de aquecimento durante a
austenitização.
▪ Um recozimento anterior ou um pré-aquecimento antes da
austenitização podem minimizar estes problemas;
▪ Press quenching também pode ser utilizado.
47
Martêmpera
Controle dimensional
48
Martêmpera
Conformação após martêmpera
✓ Materiais de difícil conformação, como aços ferramentas,
podem ser austenitizados, martemperados e conformados a
quente imediatamente após retirada do banho.
✓ Durante a conformação a quente o metal consiste em
austenita metaestável que se transforma em martensita no
resfriamento.
49
Martêmpera
Aplicações
✓ O tratamento de martêmpera é especialmente apropriado para
peças cementadas (particularmente eixos e engrenagens), porque
essas peças geralmente são mais difíceis de usinar → melhor
controle dimensional.
50Componentes de pistolas, componentes de rolamentos.
Martêmpera
Seleção de equipamentos de austenitização
✓ A austenitização pode ser feita virtualmente em qualquer forno;
✓ Fornos com atmosfera controlada e banhos de sais são
amplamente utilizados;
✓ A composição dos banhos de austenitização: 45 to 55% NaCl e 45
to 55% KCl; faixa de fusão, 650 - 675 °C; faixa de operação; 705 a
900 °C. É compatível e facilmente separado do banho de
martêmpera.
51
Martêmpera
Seleção de equipamentos de martêmpera
✓ Os fornos de martêmpera são basicamente trocadores de calor,
retiram o calor da peça para o ambiente e mantém a temperatura
do banho constante.
✓ Em sua forma mais simples, o equipamento é um tanque de aço
que contém óleo ou nitrito-nitreto com um sistema de
aquecimento interno ou externo.
✓ Para produção contínua sistemas mais complexos são empregados.
52
Martêmpera
Seleção de equipamentos de martêmpera
53
(a) Fornos antigos e (b) Sistemas modernos automatizados.
Austêmpera
✓ Objetiva-se a obtenção da estrutura bainítica → tenacidade e
resistência superiores aos da martensita revenida.
54
Diagrama TTT mostrando o ciclo de austêmpera.
Austêmpera
Ciclo térmico
✓ O aço é aquecido na temperatura de austenitização,
normalmente entre 790 e 915 °C;
✓ Resfriado em um banho que mantém a temperatura
constante entre 260 e 400 °C;
✓ Permanência até final da transformação bainítica;
✓ Resfriamento até a temperatura ambiente.
55
O resfriamento deve ser rápido o suficiente 
para evitar a formação de perlita.
Austêmpera
Ciclo térmico
56
Figura 14 Comparação entre o procedimento de austêmpera e de têmpera e revenido 
convencional.
Austêmpera
Vantagens
✓ Elevada ductilidade, tenacidade e resistência em uma dada
dureza;
✓ Distorção reduzida, o que reduz custos de usinagem, inspeção
e descarte;
✓ O menor tempo de ciclo para obtenção de dureza na faixa
entre 35 e 55 HRC resultando em economia no processo.
57
Austêmpera
Meio de resfriamento para a austêmpera
✓ Sal fundido é o meio mais comum:
▪ Transfere calor rapidamente;
▪ Minimiza o problema da fase vapor formada durante o estágio
inicial de têmpera;
▪ A viscosidade é uniforme em uma faixa ampla de temperatura;
▪ Estável na faixa de temperatura de operação e solúvel em água
(facilita a limpeza);
58
Austêmpera
Meio de resfriamento para a austêmpera
✓ Óleo é algumas vezes utilizado como meio de austêmpera, no
entanto, apresenta instabilidade química, mudança de
viscosidade, risco de incêndio. Também confere menor taxa
de extração de calor.
59
Austêmpera
Meio de resfriamento para a austêmpera
60
Tabela 6 Composição e características dos sais usados para austêmpera.
A composição com Tm mais alta é aplicado apenas para 
austêmpera, enquanto a faixa ampla pode ser usado para 
austêmpera e martêmpera.
Austêmpera
Adição de água ao sal
✓ A adição de água ao banho de austêmpera tem o mesmo
efeito e deve ter os mesmos cuidados que no caso da
martêmpera.
✓ O teor de água também pode ser estimado pela temperatura
de solidificação do sal.
61
Austêmpera
Adição de água ao sal
62
Figura 15 Efeito do teor de água na temperatura de solidificação do banho de nitrato-nitrito.
Austêmpera
Aços para austêmpera
✓ Deve ser considerado o comportamento TTT do aço:
▪ A localização do nariz da curva TTT;
▪ O tempo para completar a transformação da austenita em
bainita;
▪ A localização do ponto Ms.
✓ A velocidade de resfriamento do meio também deve ser
considerada.
63
Austêmpera
Aços para austêmpera
64
Diagrama TTT de quatro aços com diferentes comportamentos.
Austêmpera
Aços para austêmpera
✓ O aço 1080 apresenta aptidão limitada para austêmpera, pois
o resfriamento deve ocorrer em ≈1s; apenas aplicável em
peças muito finas.
✓ O aço 5140 é mais apropriado, pois requer taxa de
resfriamento mais lenta e a transformação bainíticase
completa em até 10 min;
65
Austêmpera
Aços para austêmpera
✓ Os aços adequados para austêmpera incluem:
▪ Aços com 0,5 a 1,0 %C com no mínimo 0,6% Mn;
▪ Aço alto C (> 0,9%C) com menos que 0,6 % Mn;
▪ Alguns aços baixo C, ex: 1041, mas com Mn entre 1,0 a 1,6%;
▪ Alguns aços baixa liga, como 51xx, contendo mais que 0,3%C e
aços da série 13xx (Mn), 40xx (Mo) → com C > que 0,4%; entre
outros.
66
Austêmpera
Aços para austêmpera
✓ Alguns aços são impossíveis, como o 1034, não tem como
evitar formação de perlita. O 9261, por exemplo, não há
dificuldade relacionada com o resfriamento, mas o tempo
para transformação é excessivo
67
Austêmpera
Temperatura de austenitização
✓ Quanto maior a temperatura de austenitização, mais para
direita é deslocado o nariz do diagrama TTT, devido ao
crescimento do grão austenítico (dificulta a formação da
perlita que nucleia no CG).
68
Austêmpera
Temperatura de austenitização
✓ Com o aumento da temperatura de austenitização de aços
alto C, maior a solubilização do C na austenita (efeito menor
que o da composição química).
✓ Os carbonetos residuais ou regiões ricas em C atuam como
núcleos para a formação da perlita.
69
Ms = 538 - (361 × %C) - (39 × % Mn) - (19 × % Ni) - (39 × % Cr)
Austêmpera
Limitações de seção
70
Dureza e espessura de vários aços austemperados. (d) ajuste para máxima dureza.
Austêmpera
Aplicações
✓ A austêmpera geralmente substitui a têmpera e revenimento
convencionais pelos seguintes motivos:
▪ Para obter propriedades mecânicas aprimoradas
(particularmente tenacidade ou ductilidade)
▪ Diminuir probabilidade de trincas e distorções
▪ Melhorar resistência ao desgaste em uma dada dureza.
72
Austêmpera
Aplicações
73
Figura 18 (a) Fratura dúctil em aço austemperado e (b) fratura frágil em aço temperado e 
revenido. (53 HRC)
Austêmpera
Aplicações
✓ Austempera é particularmente aplicável a peças de aço de
seção fina que requerem tenacidade excepcional a uma
dureza entre 40 e 50 HRC.
▪ Molas e componentes sujeitos a esforços cíclicos a
austêmpera é mais indicada (resistência à fadiga muito
superior).
74
Austêmpera
Aplicações
75
Aço SAE 5160 Têmpera: austenitizados a 830 C por 10’, resfriado em óleo e revenido a 
460 C por 1 hora. Austêmpera: austenitizados a 830 °C por 10’, resfriado a 320 °C por 
40’ e resfriado ao ar.
Austêmpera
Aplicações
76
Exemplos de componentes austemperados.
Austêmpera
Exercício
Faça o ciclo térmico, represente no TTT o resfriamento e diga
qual a microestrutura obtida e objetivos dos tratamentos
térmicos de martêmpera e austêmpera.
77