Queremos expor como, por meio de tratamentos térmicos e termoquímicos, é possível alterar a estrutura interna do material e exercer uma extraordinária influência sobre as propriedades mecânicas
Alotropia ou poliformismo é a propriedade de alguns materiais possuírem estruturas cristalinas diferentes de acordo com a temperatura a que estão submetidos sob mesma pressão atmosférica. O ferro muda para a estrutura (C.F.C.) na temperatura logo acima de 911 ºC.
É interessante observar que quando o ferro está na condição γ, as esferas atômicas estão dispostas de maneira mais densa que no ferro α, ou seja, com o aumento da temperatura o peso específico aumenta, o que acontece é que os átomos vibram oscilando com maior intensidade em torno de suas posições espaciais, abrindo espaços para outros átomos ocuparem. Na prática, chamamos este fenômeno de dilatação térmica, e se aumentarmos a temperatura até o ponto de fusão, a vibração dos átomos será tão intensa que a estrutura cristalina desmoronará, e o ferro assumirá então a forma líquida.
Outro conceito importante em relação à estrutura cristalina é quanto aos defeitos ou falhas que ela apresenta, pois na realidade uma peça de ferro não possui uma estrutura cristalina perfeita. Na verdade, a estrutura cristalina apresenta lacunas, impurezas e intersticidades, vide figura 3.
Até então falamos apenas do ferro, mas e a liga Fe-C ? O diâmetro do átomo do carbono é próximo de 1,5 Å (diâmetro atômico) e o tamanho do átomo do ferro é próximo de 02,5 Å, de maneira que, quando juntos em uma determinada proporção, podem assumir uma estrutura cristalina parecida com a da figura 4 estrutura do aço com elementos de liga.
O Diagrama Fe - C, que é o diagrama de estado da liga Ferro e Carbono - vide figura 6, também possui uma região acima da qual temos apenas líquido. Na extrema direita temos um composto chamado cementita, que contém aproximadamente 6,7% de carbono, sendo que acima deste valor já não há interesse comercial no estudo da liga.
O diagrama também mostra o ponto de fusão do ferro puro que comentamos anteriormente, ou seja, 1536ºC. À medida que nos afastamos do eixo da esquerda, aumentamos a quantidade de carbono na liga e diferentes compostos vão se formando.
O ponto C no gráfico indica que nessa porcentagem de carbono, ou de mistura do ferro com a cementita, ocorre a fusão da liga com maior facilidade e na menor temperatura.
O nosso interesse está em um diagrama parcial do diagrama Fe – C, pois um aço já é considerado duro com uma porcentagem de carbono acima de 0,5 %, e um aço extremamente duro tem em torno de 1,0 % de carbono.
O diagrama parcial da liga Fe – C está apresentado na figura 7, e é de melhor compreensão. Os próximos comentários estão relacionados a este gráfico :
- Como dissemos, até a temperatura de 910ºC o ferro possui estrutura cristalina cúbica de corpo centrado e é chamado de ferro alfa, ferrita é uma solução sólida de carbono dissolvido no ferro alfa. Na temperatura ambiente, cerca de 0,008% de Carbono se dissolve no ferro alfa e esta solubilidade aumenta com o aumento da temperatura, na temperatura de 723ºC a solubililidade do carbono é máxima e chega a 0,02%.
- Entre a temperatura de 910ºC e 1390ºC , o ferro possui estrutura cristalina cúbica de face centrada e é chamado de ferro gama, ou seja austenita, que é uma solução sólida de carbono dissolvido no ferro gama, sendo que a solubilidade máxima do carbono no ferro gama ocorre na temperatura de 1147ºC com 2,06% de carbono. Na temperatura de 723ºC a solubilidade do carbono no ferro gama é de 0,8%.
- As ligas de ferro-carbono com porcentagem de carbono maior que 2,06% de carbono são denominadas de ferros fundidos; já os aços com porcentagem de carbono inferior a 0,008% de carbono são considerados como ferro comercialmente puro.
O que acontece com uma peça de aço com 0,8% de carbono a 1.150ºC quando se inicia um processo de resfriamento lento (acompanhar no gráfico da figura 6)?
A porcentagem de carbono está inicialmente totalmente dissolvida na austenita, ou seja, na estrutura cristalina CFC. Quando o resfriamento alcança o valor de 723ºC, a austenita não pode se manter abaixo desta temperatura e se transforma, e a estrutura agora é a ferrita, que não pode dissolver esta quantidade de carbono. Ocorre, então, a difusão do carbono de maneira que se formam placas de ferrita e carbonetos, ou seja, um composto heterogêneo chamado ferrita+carbonetos.
Difusão é a fuga dos átomos de ferro e de carbono dentro da estrutura espacial formada pelos átomos. Estes migram de vazio em vazio, de interstício para interstício, isto leva um certo tempo.
O que acontece com uma peça de aço com 0,8% de carbono a 1.150ºC quando se inicia um processo de resfriamento rápido ?
Quando aplicamos um resfriamento rápido em uma peça, a temperatura de transformação de austenita para ferrita + carbonetos cai para um valor bem abaixo dos 723ºC do diagrama e, na realidade, os átomos de carbono perdem sua mobilidade, pois antes que eles consigam saltar ou migrar da rede espacial da austenítica para carbonetos, a temperatura já está muito baixa, de maneira que a difusão vai parando, e os átomos de carbono alojados na cadeia austenítica (CFC) não cabem na estrutura da ferrita (CCC) que está se formando. Isto não só deforma a estrutura cristalina, como pode até rompê-la.
A retenção dos átomos de carbono na estrutura (CCC) cria grandes tensões internas, de maneira que a superfície fica extremamente dura, sendo que a esta ocorrência chamamos de têmpera !
Em função da altas tensões internas, o aço também torna-se frágil, devendo receber um tratamento de elevação da temperatura para um valor pré-determinado para que os átomos possam se rearranjar, reduzindo considerávelmente a fragilidade e, com certeza, perdendo um pouco da dureza, mas possuindo ainda uma dureza bem acima da que teria se fosse resfriado de maneira lenta, a este processo chamamos de revenimento.
Depois desta explicação sobre o que ocorre na estrutura interna do material, podemos explanar com mais facilidade os principais tratamentos conhecidos no mercado.
Tipos de Tratamento Térmico
Pode-se classificar os tipos de tratamento térmico em tratamentos com simples aquecimento e resfriamento e tratamentos com aquecimento e resfriamento com reações químicas.
Tratamentos com simples aquecimento e resfriamento Têmpera
O aço é aquecido a uma temperatura igual ou um pouco acima do ponto de transformação da estrutura e em seguida é resfriado bruscamente pela imersão na água, no óleo ou mesmo no ar; cada um destes ambientes produz um tipo específico de transformação, a temperatura destes meios afeta diretamente o resultado do tratamento térmico.
O resultado esperado da têmpera é um aço endurecido e é o que se consegue com este processo. No entanto, o aço torna-se também frágil, como o vidro que é muito duro, mas também é frágil. Assim torna-se o aço depois de receber o tratamento da têmpera.
A têmpera só é realizada em aços com no mínimo 0,4% de Carbono, ou seja, aços 1040 de acordo com a norma brasileira. Aqueles com menor quantidade de carbono, por exemplo 1020 (0,2% de carbono), não devem sofrer processo de têmpera diretamente, pois não se consegue bom resultado; a figura 8 - gráfico representativo da têmpera - mostra que, após um aquecimento, chega-se a temperatura de transformação da estrutura e logo depois realiza-se o resfriamento de forma brusca, considerando que o tempo gasto para baixar a temperatura da faixa de têmpera até a temperatura ambiente é quase nulo, guardadas as devidas proporções.
Revenimento
Para retirar a fragilidade do aço, depois da têmpera realiza-se o revenimento. O aço é então aquecido a uma temperatura abaixo do ponto de transformação, valor bem abaixo do valor do processo de têmpera (este valor varia um pouco, a título de referência podemos citar uma faixa em torno de 150ºC à 350ºC) lembrando que, quanto mais alta a temperatura do revenimento, mais se perde a dureza, em seguida o aço é resfriado, geralmente de forma lenta. Este valor de aquecimento permite que as moléculas que depois da têmpera ficaram extremamente desarranjadas possam agora se arranjar, resultando no alívio das tensões e, conseqüentemente, na redução da fragilidade, vide figura 9 - gráfico representativo do revenimento.
Recozimento
O recozimento recupera o aço temperado prejudicado pelo superaquecimento, melhorando o arranjo estrutural. Neste processo pretende- se anular as tensões internas.
Sobre o recozimento podemos dizer que existem dois tipos basicamente: um recozimento de alivio de tensões (vide figura 10) e um recozimento de redução de dureza. Não é difícil deduzir a esta altura que o primeiro se processa em uma temperatura inferior à do segundo. A temperatura do primeiro está em torno de 500ºC, enquanto que o recozimento de redução de dureza precisa alcançar temperaturas um pouco abaixo de 700ºC, lembrando que a temperatura de transformação da estrutura cristalina é de 723ºC. Entretanto, quando o aquecimento é realizado de forma rápida, a estrutura se altera um pouco abaixo deste valor, a diferença aqui é que o tempo de resfriamento é bem mais longo que no revenimento, e quanto mais longo, menos tensões internas.
O resfriamento neste caso se dá dentro de cinzas, cal ou areia, existe um recozimento chamado de NORMALIZAÇÃO, aplicável a aços laminados, fundidos ou forjados, como o próprio nome sugere, o que ocorre é a recuperação da estrutura do aço, vide figura 11 - normalização.
Têmpera superficial
A têmpera superficial é um recurso interessante em termos de custo e de tempo, uma vez que o aquecimento superficial do material pode ser realizado por chamas, por exemplo, através de maçarico ou em fornos específicos para realizar este aquecimento rápido, aplicável a peças relativamente pequenas, tais como parafusos, onde se deseja que a camada superficial seja dura com o corpo resistente a tensões.
Tratamentos com aquecimento e resfriamento com reações químicas
Cementação
Dissemos que aços com baixo teor de carbono não “pegam” têmpera justamente por causa do conceito de difusão do carbono na estrutura cristalina. Através da cementação podemos adicionar carbono à camada superficial do material, e em seguida realizar a têmpera. A cementação seguida da têmpera é aplicável a peças onde é desejável que o núcleo seja dúctil, resista a uma sobrecarga de tensão e a camada superficial seja dura, e um bom exemplo onde se aplica este tipo de tratamento é em engrenagem.
A cementação consiste em aquecer a peça a uma determinada temperatura e deixá-la assim por um longo período de horas. Juntamente com a peça colocamos algum material rico em carbono, que pode estar na forma de pó, pasta ou mesmos gases, a atmosfera rica em carbono possibilita à peça absorver o carbono existente e fixá-lo em sua camada superficial.
A cementação só permite a adição de carbono pela peça. Assim, para aumentar a dureza é preciso realizar posteriormente a têmpera, seguida do revenimento, vide figura 12 – que representa o processo da cementação seguido de têmpera e revenimento.
É de fato notável o que se pode conseguir com este processo, pois uma peça com aproximadamente 0,2% de carbono e com determinados elementos de liga, possibilita a cementação, o que significa dureza superficial com núcleo altamente tenaz.
Nitretação e cianetação
São processos que objetivam introduzir substâncias na camada superficial do aço, visando aumento de dureza e resistência. A nitretação adiciona nitrogênio à superfície do material, e este processo não é seguido de têmpera ou revenimento, já a cianetação adiciona nitrogênio e carbono a superfície do material.
Controle de temperatura
Depois desta explanação, pode-se perceber que a variável temperatura é de suma importância nos processos de tratamento térmico, precisando ser muito bem controlada. Os processos industriais de produção fabricam milhares de peças e com a necessidade de manter um nível de qualidade determinado, geralmente os procedimentos de tratamento térmico funcionam em batelada, de maneira que, se uma malha de controle de temperatura falha, muito se perde.
Este artigo, além de trazer conhecimento desta matéria aos leigos, reforça o aprendizado daqueles que já viram alguma coisa sobre o tema, além de dar uma idéia da importância da temperatura e seu correto controle para aqueles que atuam e querem trabalhar com malhas de controle de temperatura e aplicar corretamente os sensores de temperatura como, por exemplo, os termopares.
Conclusão
Tentamos apresentar de maneira simples e bastante resumida alguns tratamentos que mais ocorrem na indústria. Para isso, não bastava simplesmente apresentar definições tais quais apresentadas em livros próprios da área. Assim, fizemos uma breve introdução sobre a estrutura cristalina do ferro e quais transformações acontecem com a variação da temperatura. Entendemos que esta seqüência facilita o aprendizado e ajuda a fixar os conceitos, por isso, apresentamos o diagrama do Fe-C, importantíssimo na área de materiais metálicos. Porém, não discorremos de maneira abrangente, apenas focamos sobre o que tínhamos mais interesse.
Expusemos os tratamentos que são bastante conhecidos na indústria, todavia existem outros derivados destes ou combinações dos apresentados. Aqui fica uma fonte de referência, um primeiro passo, para aqueles que querem conhecer esta matéria chamada Tratamento Térmico. Até a próxima!
Em um artigo anterior intitulado “Elementos de Máquinas”, abordamos alguns fatores relativos aos componentes mecânicos, a saber: resistência , corrosão, desgaste, ruído e vibração. Dissemos que resistência é uma propriedade inerente à peça devido ao seu material, tratamento térmico a ela aplicado e ao processo de fabricação utilizado para a sua produção.
Apresentamos na oportunidade conceitos e propriedades mecânicas de grande importância, como dureza, ductilidade e fragilidade através de gráficos do diagrama tensão x deformação.
Desta vez, queremos expor como, por meio de tratamentos térmicos e termoquímicos, é possível alterar a estrutura interna do material e exercer uma extraordinária influência sobre as propriedades mecânicas e os fatores descritos acima.
Discorrer sobre tratamento térmico é tratar de processos como a têmpera, o revenimento, o recozimento, a normalização, a cementação, entre outros que iremos abordar ao longo desta leitura.
Esses processos são aplicáveis na grande maioria aos aços, e sua importância é tal que um aço tinha como principal característica a condição de ser temperável, hoje tem sua definição muito mais abrangente, embora os tratamentos térmicos continuem tendo grande importância.
Tratar uma peça termicamente implica basicamente em aquecê-la a uma determinada temperatura, deixá-la nesta temperatura por um período de tempo, e em seguida resfriá-la de maneira controlada, ou seja, tratar termicamente é aplicar um ciclo térmico à peça que se deseja trabalhar.
O material tratado termicamente na indústria que mais nos interessa é o aço, e para falar sobre ele se faz necessária a introdução de alguns conceitos de estrutura de materiais, falar da liga Ferro – Carbono (Fe – C), além de relacionar estes conceitos com a variação de temperatura.
Outros metais não menos importantes são os elementos de liga, porém estão aplicados em porcentagens muito baixas ou em peças específicas. Os aços com elementos de liga são denominados de “aços-liga”, pois, além do carbono, contêm outros elementos de liga especiais.
Na indústria, costuma-se usar aços produzidos em larga escala e, portanto, com menor custo: são aqueles sem elementos de liga, fornecidos em dimensões padronizadas como produtos semi-acabados, pré-forjados ou laminados (oferecidos sob a forma de lingotes, chapas ou barras) ou acabados, disponíveis na forma de chapa, tubo, fitas e arames, muito interessantes, principalmente por causa de sua resistência.
Quando em razão de uma necessidade específica ou aplicação especial os aços básicos (ou comuns) não atendem satisfatoriamente, busca-se usar aços-liga, também chamados de alta liga (uma vez que os aços sem elementos de liga contêm pequenos e inevitáveis teores de elementos de liga como, por exemplo, o níquel e o cromo). Os aços de alta-liga, também conhecidos por aços nobres, têm um custo bem mais elevado, pois os elementos de liga estão em proporções bem definidas e conferem propriedades interessantes aos aços. Vejamos alguns exemplos:
Carbono : O carbono eleva os limites de resistência à tração, ao escoamento e também à dureza do aço, porém reduz a ductibilidade, e quanto mais carbono no material, mais difícil a usinagem, a soldagem e processos de forjamento. Associado a outros elementos de liga e ao tratamento térmico, é possível associar a resistência que o carbono confere sem perder muito a ductibilidade.
Fósforo : O fósforo aumenta a resistência à ferrugem. Misturado com o enxofre melhora a usinabilidade, porém altos teores deste elemento no aço são prejudiciais, pois causam uma certa fragilidade. Entretanto, em pequenas proporções melhora a resistência, o teor máximo está em torno de 1,5 %.
Níquel e Cromo : Melhoram a resistência à corrosão, ao calor, aos ácidos, sendo comum associar os dois materiais em uma mesma liga.
Manganês : Melhora a resistência ao choque e ao desgaste por atrito.
Tungstênio : Promove a dureza e resistência a altas temperaturas.
Silício : Promove a formação de grafite e atribui resistência aos ácidos, reduz a deformidade causada pelo frio, portanto em processos de estampagem as porcentagens devem ser muito bem controladas.
Molibdênio : Este elemento protege eficazmente o aço contra a fragilidade decorrente do revenimento, elevando a resistência do aço para altas temperaturas.
Vanádio : Melhora a resistência às altas temperaturas e a capacidade de ferramentas de corte resistirem ao superaquecimento durante os processos de usinagem.
Alumínio : Age como desoxidante.
Enxofre : Melhora a usinabilidade, porém reduz a resistência à fadiga.
Apesar destas impor tantes propriedades, deve-se ter em mente que os elementos de liga estão presentes em toda a estrutura do material, sendo que o fabricante fornece atestado descrevendo quais são os elementos da liga e quais suas porcentagens. Isso requer maior controle do processo de fabricação e encarece consideravelmente o produto, pois o fabricante desconhece qual aplicação o cliente dará para o material, se para a produção de uma peça de avião ou para um eletrodoméstico.
Dependendo da aplicação, não é interessante que a peça seja dura desde sua camada superficial até o núcleo, ou que seja dúctil no interior e também nas extremidades. Na verdade, o que estamos esclarecendo aqui é que, na indústria, o que desejamos é que o componente mecânico, o elemento de máquina tenha determinadas características decorrentes de sua aplicação. Muitas vezes não é interessante ter um material que possua as mesmas propriedades ao longo de toda a sua estrutura.
O tratamento superficial nos dá a possibilidade de mudar as características internas ou externas não apenas do material, mas da peça acabada, de maneira que impomos à peça as características necessárias para sua aplicação.
É importante lembrar que para especificar um material para determinada aplicação é necessário conhecer bem as características dos materiais e as concentrações básicas de acordo com a aplicação, tarefa indicada para um profissional graduado na área. Já para o tratamento térmico, entrando-se em contato com as empresas especializadas, obtem-se todo o suporte e conhecimento que elas adquiriram ao longo dos anos.
Conceitos
Como foi dito anteriormente, abordaremos basicamente a liga Fe-C, ou seja, os aços em geral para apresentar os conceitos de tratamento térmico.
O ferro, o elemento em maior quantidade na liga, é derivado de minérios que, na natureza, reúnem alguns elementos; os minérios de ferro mais conhecidos são a hematita, a siderita, a limonita e a magnetita.
Ainda que o nosso interesse seja saber o que acontece com a liga quando a aquecemos ou resfriamos, é bom ter em mente que o ferro na forma pura se funde a 1.539 ºC.
Os átomos de um metal no estado sólido se arranjam de uma forma bastante definida, de maneira ordenada e que se repete em todas as direções. Este arranjo metálico é conhecido como estrutura cristalina.
A estrutura cristalina é formada de células unitárias, as quais representam um conjunto de átomos que estão dispostos de forma específica, compondo uma figura geométrica definida O ferro pode assumir diferentes estruturas cristalinas, dependendo da temperatura e porcentagem de carbono presente na liga, vejamos duas delas. Na estrutura cúbica de face centrada (C.F.C.) – vide figura 1, os átomos estão dispostos nos vértices e no centro das faces de um cubo imaginário; na estrutura cúbica de corpo centrado (C.C.C.) – vide figura 2, os átomos estão dispostos nos vértices e no centro do cubo, esta é a estrutura do ferro a temperatura ambiente e é chamado de ferro α, e na (C.F.C.) é chamado de ferro γ.
Apresentamos na oportunidade conceitos e propriedades mecânicas de grande importância, como dureza, ductilidade e fragilidade através de gráficos do diagrama tensão x deformação.
Desta vez, queremos expor como, por meio de tratamentos térmicos e termoquímicos, é possível alterar a estrutura interna do material e exercer uma extraordinária influência sobre as propriedades mecânicas e os fatores descritos acima.
Discorrer sobre tratamento térmico é tratar de processos como a têmpera, o revenimento, o recozimento, a normalização, a cementação, entre outros que iremos abordar ao longo desta leitura.
Esses processos são aplicáveis na grande maioria aos aços, e sua importância é tal que um aço tinha como principal característica a condição de ser temperável, hoje tem sua definição muito mais abrangente, embora os tratamentos térmicos continuem tendo grande importância.
Tratar uma peça termicamente implica basicamente em aquecê-la a uma determinada temperatura, deixá-la nesta temperatura por um período de tempo, e em seguida resfriá-la de maneira controlada, ou seja, tratar termicamente é aplicar um ciclo térmico à peça que se deseja trabalhar.
O material tratado termicamente na indústria que mais nos interessa é o aço, e para falar sobre ele se faz necessária a introdução de alguns conceitos de estrutura de materiais, falar da liga Ferro – Carbono (Fe – C), além de relacionar estes conceitos com a variação de temperatura.
Outros metais não menos importantes são os elementos de liga, porém estão aplicados em porcentagens muito baixas ou em peças específicas. Os aços com elementos de liga são denominados de “aços-liga”, pois, além do carbono, contêm outros elementos de liga especiais.
Na indústria, costuma-se usar aços produzidos em larga escala e, portanto, com menor custo: são aqueles sem elementos de liga, fornecidos em dimensões padronizadas como produtos semi-acabados, pré-forjados ou laminados (oferecidos sob a forma de lingotes, chapas ou barras) ou acabados, disponíveis na forma de chapa, tubo, fitas e arames, muito interessantes, principalmente por causa de sua resistência.
Quando em razão de uma necessidade específica ou aplicação especial os aços básicos (ou comuns) não atendem satisfatoriamente, busca-se usar aços-liga, também chamados de alta liga (uma vez que os aços sem elementos de liga contêm pequenos e inevitáveis teores de elementos de liga como, por exemplo, o níquel e o cromo). Os aços de alta-liga, também conhecidos por aços nobres, têm um custo bem mais elevado, pois os elementos de liga estão em proporções bem definidas e conferem propriedades interessantes aos aços. Vejamos alguns exemplos:
Carbono : O carbono eleva os limites de resistência à tração, ao escoamento e também à dureza do aço, porém reduz a ductibilidade, e quanto mais carbono no material, mais difícil a usinagem, a soldagem e processos de forjamento. Associado a outros elementos de liga e ao tratamento térmico, é possível associar a resistência que o carbono confere sem perder muito a ductibilidade.
Fósforo : O fósforo aumenta a resistência à ferrugem. Misturado com o enxofre melhora a usinabilidade, porém altos teores deste elemento no aço são prejudiciais, pois causam uma certa fragilidade. Entretanto, em pequenas proporções melhora a resistência, o teor máximo está em torno de 1,5 %.
Níquel e Cromo : Melhoram a resistência à corrosão, ao calor, aos ácidos, sendo comum associar os dois materiais em uma mesma liga.
Manganês : Melhora a resistência ao choque e ao desgaste por atrito.
Tungstênio : Promove a dureza e resistência a altas temperaturas.
Silício : Promove a formação de grafite e atribui resistência aos ácidos, reduz a deformidade causada pelo frio, portanto em processos de estampagem as porcentagens devem ser muito bem controladas.
Molibdênio : Este elemento protege eficazmente o aço contra a fragilidade decorrente do revenimento, elevando a resistência do aço para altas temperaturas.
Vanádio : Melhora a resistência às altas temperaturas e a capacidade de ferramentas de corte resistirem ao superaquecimento durante os processos de usinagem.
Alumínio : Age como desoxidante.
Enxofre : Melhora a usinabilidade, porém reduz a resistência à fadiga.
Apesar destas impor tantes propriedades, deve-se ter em mente que os elementos de liga estão presentes em toda a estrutura do material, sendo que o fabricante fornece atestado descrevendo quais são os elementos da liga e quais suas porcentagens. Isso requer maior controle do processo de fabricação e encarece consideravelmente o produto, pois o fabricante desconhece qual aplicação o cliente dará para o material, se para a produção de uma peça de avião ou para um eletrodoméstico.
Dependendo da aplicação, não é interessante que a peça seja dura desde sua camada superficial até o núcleo, ou que seja dúctil no interior e também nas extremidades. Na verdade, o que estamos esclarecendo aqui é que, na indústria, o que desejamos é que o componente mecânico, o elemento de máquina tenha determinadas características decorrentes de sua aplicação. Muitas vezes não é interessante ter um material que possua as mesmas propriedades ao longo de toda a sua estrutura.
O tratamento superficial nos dá a possibilidade de mudar as características internas ou externas não apenas do material, mas da peça acabada, de maneira que impomos à peça as características necessárias para sua aplicação.
É importante lembrar que para especificar um material para determinada aplicação é necessário conhecer bem as características dos materiais e as concentrações básicas de acordo com a aplicação, tarefa indicada para um profissional graduado na área. Já para o tratamento térmico, entrando-se em contato com as empresas especializadas, obtem-se todo o suporte e conhecimento que elas adquiriram ao longo dos anos.
Conceitos
Como foi dito anteriormente, abordaremos basicamente a liga Fe-C, ou seja, os aços em geral para apresentar os conceitos de tratamento térmico.
O ferro, o elemento em maior quantidade na liga, é derivado de minérios que, na natureza, reúnem alguns elementos; os minérios de ferro mais conhecidos são a hematita, a siderita, a limonita e a magnetita.
Ainda que o nosso interesse seja saber o que acontece com a liga quando a aquecemos ou resfriamos, é bom ter em mente que o ferro na forma pura se funde a 1.539 ºC.
Os átomos de um metal no estado sólido se arranjam de uma forma bastante definida, de maneira ordenada e que se repete em todas as direções. Este arranjo metálico é conhecido como estrutura cristalina.
A estrutura cristalina é formada de células unitárias, as quais representam um conjunto de átomos que estão dispostos de forma específica, compondo uma figura geométrica definida O ferro pode assumir diferentes estruturas cristalinas, dependendo da temperatura e porcentagem de carbono presente na liga, vejamos duas delas. Na estrutura cúbica de face centrada (C.F.C.) – vide figura 1, os átomos estão dispostos nos vértices e no centro das faces de um cubo imaginário; na estrutura cúbica de corpo centrado (C.C.C.) – vide figura 2, os átomos estão dispostos nos vértices e no centro do cubo, esta é a estrutura do ferro a temperatura ambiente e é chamado de ferro α, e na (C.F.C.) é chamado de ferro γ.
Alotropia ou poliformismo é a propriedade de alguns materiais possuírem estruturas cristalinas diferentes de acordo com a temperatura a que estão submetidos sob mesma pressão atmosférica. O ferro muda para a estrutura (C.F.C.) na temperatura logo acima de 911 ºC.
É interessante observar que quando o ferro está na condição γ, as esferas atômicas estão dispostas de maneira mais densa que no ferro α, ou seja, com o aumento da temperatura o peso específico aumenta, o que acontece é que os átomos vibram oscilando com maior intensidade em torno de suas posições espaciais, abrindo espaços para outros átomos ocuparem. Na prática, chamamos este fenômeno de dilatação térmica, e se aumentarmos a temperatura até o ponto de fusão, a vibração dos átomos será tão intensa que a estrutura cristalina desmoronará, e o ferro assumirá então a forma líquida.
Outro conceito importante em relação à estrutura cristalina é quanto aos defeitos ou falhas que ela apresenta, pois na realidade uma peça de ferro não possui uma estrutura cristalina perfeita. Na verdade, a estrutura cristalina apresenta lacunas, impurezas e intersticidades, vide figura 3.
Até então falamos apenas do ferro, mas e a liga Fe-C ? O diâmetro do átomo do carbono é próximo de 1,5 Å (diâmetro atômico) e o tamanho do átomo do ferro é próximo de 02,5 Å, de maneira que, quando juntos em uma determinada proporção, podem assumir uma estrutura cristalina parecida com a da figura 4 estrutura do aço com elementos de liga.
Os diagramas de fase podem ser usados como ferramentas no estudo dos tipos de tratamento, sendo bastante conhecidos no meio industrial (área mecânica).
São representações do que acontece com uma determinada liga em condições de equilíbrio químico e térmico.
A estabilidade se refere aos níveis de composições e de temperatura da liga e mostra as áreas de estabilidade das fases puras e de fases combinadas (compostos).
Nós iremos nos ater às ligas ferrosas, as quais são tratáveis termicamente. Uma liga tratável termicamente é uma liga em que se pode alterar suas propriedades através da aplicação de um ciclo térmico.
Para melhor entendimento do diagrama Fe – C, vejamos um diagrama mais simples, o diagrama da liga de Cobre e Níquel – vide figura 5. Baseado nele, podemos perceber que as transformações ocorrem a partir da mudança de duas variáveis, a temperatura e a composição da mistura. Observemos que o cobre puro se funde a 1083 ºC e que o níquel puro se funde numa temperatura bem superior (a 1455 ºC); acima da linha liquidus a mistura (liga) e os componentes estão totalmente no estado líquido e abaixo da linha solidus, a mistura e os componentes em estado puro estão no estado sólido; a área delimitada entre as linhas liquidus e solidus compreendem uma mistura pastosa, ou melhor dizendo com cristais sólidos e fases líquidas; no eixo das ordenadas totalmente a direita temos 100% de Níquel e no eixo das ordenadas totalmente a esquerda temos 100% de cobre. Conforme se desvia do eixo das ordenadas à esquerda e dirige-se em direção ao eixo da direita, diminui-se a porcentagem de cobre e aumenta-se a porcentagem de níquel, exatamente no centro do eixo das abcissas tem-se uma liga com 50% de cada componente.
São representações do que acontece com uma determinada liga em condições de equilíbrio químico e térmico.
A estabilidade se refere aos níveis de composições e de temperatura da liga e mostra as áreas de estabilidade das fases puras e de fases combinadas (compostos).
Nós iremos nos ater às ligas ferrosas, as quais são tratáveis termicamente. Uma liga tratável termicamente é uma liga em que se pode alterar suas propriedades através da aplicação de um ciclo térmico.
Para melhor entendimento do diagrama Fe – C, vejamos um diagrama mais simples, o diagrama da liga de Cobre e Níquel – vide figura 5. Baseado nele, podemos perceber que as transformações ocorrem a partir da mudança de duas variáveis, a temperatura e a composição da mistura. Observemos que o cobre puro se funde a 1083 ºC e que o níquel puro se funde numa temperatura bem superior (a 1455 ºC); acima da linha liquidus a mistura (liga) e os componentes estão totalmente no estado líquido e abaixo da linha solidus, a mistura e os componentes em estado puro estão no estado sólido; a área delimitada entre as linhas liquidus e solidus compreendem uma mistura pastosa, ou melhor dizendo com cristais sólidos e fases líquidas; no eixo das ordenadas totalmente a direita temos 100% de Níquel e no eixo das ordenadas totalmente a esquerda temos 100% de cobre. Conforme se desvia do eixo das ordenadas à esquerda e dirige-se em direção ao eixo da direita, diminui-se a porcentagem de cobre e aumenta-se a porcentagem de níquel, exatamente no centro do eixo das abcissas tem-se uma liga com 50% de cada componente.
O Diagrama Fe - C, que é o diagrama de estado da liga Ferro e Carbono - vide figura 6, também possui uma região acima da qual temos apenas líquido. Na extrema direita temos um composto chamado cementita, que contém aproximadamente 6,7% de carbono, sendo que acima deste valor já não há interesse comercial no estudo da liga.
O diagrama também mostra o ponto de fusão do ferro puro que comentamos anteriormente, ou seja, 1536ºC. À medida que nos afastamos do eixo da esquerda, aumentamos a quantidade de carbono na liga e diferentes compostos vão se formando.
O ponto C no gráfico indica que nessa porcentagem de carbono, ou de mistura do ferro com a cementita, ocorre a fusão da liga com maior facilidade e na menor temperatura.
O nosso interesse está em um diagrama parcial do diagrama Fe – C, pois um aço já é considerado duro com uma porcentagem de carbono acima de 0,5 %, e um aço extremamente duro tem em torno de 1,0 % de carbono.
O diagrama parcial da liga Fe – C está apresentado na figura 7, e é de melhor compreensão. Os próximos comentários estão relacionados a este gráfico :
- Como dissemos, até a temperatura de 910ºC o ferro possui estrutura cristalina cúbica de corpo centrado e é chamado de ferro alfa, ferrita é uma solução sólida de carbono dissolvido no ferro alfa. Na temperatura ambiente, cerca de 0,008% de Carbono se dissolve no ferro alfa e esta solubilidade aumenta com o aumento da temperatura, na temperatura de 723ºC a solubililidade do carbono é máxima e chega a 0,02%.
- Entre a temperatura de 910ºC e 1390ºC , o ferro possui estrutura cristalina cúbica de face centrada e é chamado de ferro gama, ou seja austenita, que é uma solução sólida de carbono dissolvido no ferro gama, sendo que a solubilidade máxima do carbono no ferro gama ocorre na temperatura de 1147ºC com 2,06% de carbono. Na temperatura de 723ºC a solubilidade do carbono no ferro gama é de 0,8%.
- As ligas de ferro-carbono com porcentagem de carbono maior que 2,06% de carbono são denominadas de ferros fundidos; já os aços com porcentagem de carbono inferior a 0,008% de carbono são considerados como ferro comercialmente puro.
O que acontece com uma peça de aço com 0,8% de carbono a 1.150ºC quando se inicia um processo de resfriamento lento (acompanhar no gráfico da figura 6)?
A porcentagem de carbono está inicialmente totalmente dissolvida na austenita, ou seja, na estrutura cristalina CFC. Quando o resfriamento alcança o valor de 723ºC, a austenita não pode se manter abaixo desta temperatura e se transforma, e a estrutura agora é a ferrita, que não pode dissolver esta quantidade de carbono. Ocorre, então, a difusão do carbono de maneira que se formam placas de ferrita e carbonetos, ou seja, um composto heterogêneo chamado ferrita+carbonetos.
Difusão é a fuga dos átomos de ferro e de carbono dentro da estrutura espacial formada pelos átomos. Estes migram de vazio em vazio, de interstício para interstício, isto leva um certo tempo.
O que acontece com uma peça de aço com 0,8% de carbono a 1.150ºC quando se inicia um processo de resfriamento rápido ?
Quando aplicamos um resfriamento rápido em uma peça, a temperatura de transformação de austenita para ferrita + carbonetos cai para um valor bem abaixo dos 723ºC do diagrama e, na realidade, os átomos de carbono perdem sua mobilidade, pois antes que eles consigam saltar ou migrar da rede espacial da austenítica para carbonetos, a temperatura já está muito baixa, de maneira que a difusão vai parando, e os átomos de carbono alojados na cadeia austenítica (CFC) não cabem na estrutura da ferrita (CCC) que está se formando. Isto não só deforma a estrutura cristalina, como pode até rompê-la.
A retenção dos átomos de carbono na estrutura (CCC) cria grandes tensões internas, de maneira que a superfície fica extremamente dura, sendo que a esta ocorrência chamamos de têmpera !
Em função da altas tensões internas, o aço também torna-se frágil, devendo receber um tratamento de elevação da temperatura para um valor pré-determinado para que os átomos possam se rearranjar, reduzindo considerávelmente a fragilidade e, com certeza, perdendo um pouco da dureza, mas possuindo ainda uma dureza bem acima da que teria se fosse resfriado de maneira lenta, a este processo chamamos de revenimento.
Depois desta explicação sobre o que ocorre na estrutura interna do material, podemos explanar com mais facilidade os principais tratamentos conhecidos no mercado.
Tipos de Tratamento Térmico
Pode-se classificar os tipos de tratamento térmico em tratamentos com simples aquecimento e resfriamento e tratamentos com aquecimento e resfriamento com reações químicas.
Tratamentos com simples aquecimento e resfriamento Têmpera
O aço é aquecido a uma temperatura igual ou um pouco acima do ponto de transformação da estrutura e em seguida é resfriado bruscamente pela imersão na água, no óleo ou mesmo no ar; cada um destes ambientes produz um tipo específico de transformação, a temperatura destes meios afeta diretamente o resultado do tratamento térmico.
O resultado esperado da têmpera é um aço endurecido e é o que se consegue com este processo. No entanto, o aço torna-se também frágil, como o vidro que é muito duro, mas também é frágil. Assim torna-se o aço depois de receber o tratamento da têmpera.
A têmpera só é realizada em aços com no mínimo 0,4% de Carbono, ou seja, aços 1040 de acordo com a norma brasileira. Aqueles com menor quantidade de carbono, por exemplo 1020 (0,2% de carbono), não devem sofrer processo de têmpera diretamente, pois não se consegue bom resultado; a figura 8 - gráfico representativo da têmpera - mostra que, após um aquecimento, chega-se a temperatura de transformação da estrutura e logo depois realiza-se o resfriamento de forma brusca, considerando que o tempo gasto para baixar a temperatura da faixa de têmpera até a temperatura ambiente é quase nulo, guardadas as devidas proporções.
Revenimento
Para retirar a fragilidade do aço, depois da têmpera realiza-se o revenimento. O aço é então aquecido a uma temperatura abaixo do ponto de transformação, valor bem abaixo do valor do processo de têmpera (este valor varia um pouco, a título de referência podemos citar uma faixa em torno de 150ºC à 350ºC) lembrando que, quanto mais alta a temperatura do revenimento, mais se perde a dureza, em seguida o aço é resfriado, geralmente de forma lenta. Este valor de aquecimento permite que as moléculas que depois da têmpera ficaram extremamente desarranjadas possam agora se arranjar, resultando no alívio das tensões e, conseqüentemente, na redução da fragilidade, vide figura 9 - gráfico representativo do revenimento.
Recozimento
O recozimento recupera o aço temperado prejudicado pelo superaquecimento, melhorando o arranjo estrutural. Neste processo pretende- se anular as tensões internas.
Sobre o recozimento podemos dizer que existem dois tipos basicamente: um recozimento de alivio de tensões (vide figura 10) e um recozimento de redução de dureza. Não é difícil deduzir a esta altura que o primeiro se processa em uma temperatura inferior à do segundo. A temperatura do primeiro está em torno de 500ºC, enquanto que o recozimento de redução de dureza precisa alcançar temperaturas um pouco abaixo de 700ºC, lembrando que a temperatura de transformação da estrutura cristalina é de 723ºC. Entretanto, quando o aquecimento é realizado de forma rápida, a estrutura se altera um pouco abaixo deste valor, a diferença aqui é que o tempo de resfriamento é bem mais longo que no revenimento, e quanto mais longo, menos tensões internas.
O resfriamento neste caso se dá dentro de cinzas, cal ou areia, existe um recozimento chamado de NORMALIZAÇÃO, aplicável a aços laminados, fundidos ou forjados, como o próprio nome sugere, o que ocorre é a recuperação da estrutura do aço, vide figura 11 - normalização.
Têmpera superficial
A têmpera superficial é um recurso interessante em termos de custo e de tempo, uma vez que o aquecimento superficial do material pode ser realizado por chamas, por exemplo, através de maçarico ou em fornos específicos para realizar este aquecimento rápido, aplicável a peças relativamente pequenas, tais como parafusos, onde se deseja que a camada superficial seja dura com o corpo resistente a tensões.
Tratamentos com aquecimento e resfriamento com reações químicas
Cementação
Dissemos que aços com baixo teor de carbono não “pegam” têmpera justamente por causa do conceito de difusão do carbono na estrutura cristalina. Através da cementação podemos adicionar carbono à camada superficial do material, e em seguida realizar a têmpera. A cementação seguida da têmpera é aplicável a peças onde é desejável que o núcleo seja dúctil, resista a uma sobrecarga de tensão e a camada superficial seja dura, e um bom exemplo onde se aplica este tipo de tratamento é em engrenagem.
A cementação consiste em aquecer a peça a uma determinada temperatura e deixá-la assim por um longo período de horas. Juntamente com a peça colocamos algum material rico em carbono, que pode estar na forma de pó, pasta ou mesmos gases, a atmosfera rica em carbono possibilita à peça absorver o carbono existente e fixá-lo em sua camada superficial.
A cementação só permite a adição de carbono pela peça. Assim, para aumentar a dureza é preciso realizar posteriormente a têmpera, seguida do revenimento, vide figura 12 – que representa o processo da cementação seguido de têmpera e revenimento.
É de fato notável o que se pode conseguir com este processo, pois uma peça com aproximadamente 0,2% de carbono e com determinados elementos de liga, possibilita a cementação, o que significa dureza superficial com núcleo altamente tenaz.
Nitretação e cianetação
São processos que objetivam introduzir substâncias na camada superficial do aço, visando aumento de dureza e resistência. A nitretação adiciona nitrogênio à superfície do material, e este processo não é seguido de têmpera ou revenimento, já a cianetação adiciona nitrogênio e carbono a superfície do material.
Controle de temperatura
Depois desta explanação, pode-se perceber que a variável temperatura é de suma importância nos processos de tratamento térmico, precisando ser muito bem controlada. Os processos industriais de produção fabricam milhares de peças e com a necessidade de manter um nível de qualidade determinado, geralmente os procedimentos de tratamento térmico funcionam em batelada, de maneira que, se uma malha de controle de temperatura falha, muito se perde.
Este artigo, além de trazer conhecimento desta matéria aos leigos, reforça o aprendizado daqueles que já viram alguma coisa sobre o tema, além de dar uma idéia da importância da temperatura e seu correto controle para aqueles que atuam e querem trabalhar com malhas de controle de temperatura e aplicar corretamente os sensores de temperatura como, por exemplo, os termopares.
Conclusão
Tentamos apresentar de maneira simples e bastante resumida alguns tratamentos que mais ocorrem na indústria. Para isso, não bastava simplesmente apresentar definições tais quais apresentadas em livros próprios da área. Assim, fizemos uma breve introdução sobre a estrutura cristalina do ferro e quais transformações acontecem com a variação da temperatura. Entendemos que esta seqüência facilita o aprendizado e ajuda a fixar os conceitos, por isso, apresentamos o diagrama do Fe-C, importantíssimo na área de materiais metálicos. Porém, não discorremos de maneira abrangente, apenas focamos sobre o que tínhamos mais interesse.
Expusemos os tratamentos que são bastante conhecidos na indústria, todavia existem outros derivados destes ou combinações dos apresentados. Aqui fica uma fonte de referência, um primeiro passo, para aqueles que querem conhecer esta matéria chamada Tratamento Térmico. Até a próxima!
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