Noções básicas sobre endurecimento

O endurecimento do aço é um processo de tratamento térmico que tem duas etapas:

1. Aquecer o aço, fazendo com que a ferrita e a cementita se transformem em austenita.
2. Arrefecer rapidamente, o que transforma a austenita em martensita ou bainita.

A austenita é uma solução sólida de carbono em ferro gama, presente na maioria dos aços apenas em altas temperaturas. A martensita é a forma mais dura, porém mais frágil, do aço, caracterizada por estruturas em forma de agulha que se cruzam em ângulos de 60°. Quando a martensita não apresenta essas agulhas características, é chamada de endurecida. A bainita se assemelha à martensita temperada, oferecendo alta resistência com fragilidade reduzida. Imagens microscópicas de austenita e martensita são mostradas na Ilustração nº 1.

Impacto nas propriedades mecânicas: O aço endurecido torna-se extremamente duro e forte, mas também mais frágil e propenso a fraturas. Para aumentar a sua ductilidade, o aço endurecido passa por um processo de temperamento.

O material preparado para o tratamento térmico geralmente está em um estado amolecido (recozido) e normalmente passou por uma deformação plástica a frio.

Imagem 1 - Austenite com ampliação de 100x e martensite com ampliação de 1000x. Fonte: Metallographic Atlas of Structures.

Tipos de tratamento térmico que envolvem endurecimento por têmpera

“Endurecimento por têmpera” é um termo bem amplo. Dependendo dos métodos de aquecimento e arrefecimento usados, dá para distinguir vários tipos de endurecimento por têmpera. Às vezes, a têmpera e o revenimento são combinados num único tratamento térmico.

Com base na microestrutura resultante, existem os seguintes tipos:

• Endurecimento por transformação martensítica
• Endurecimento por transformação bainítica

Com base no método de aquecimento e na profundidade de austenização, o endurecimento por têmpera pode ser classificado como:

• Endurecimento com aquecimento total – Toda a peça de aço é aquecida para obter uma estrutura totalmente austenítica em toda a sua secção transversal. A profundidade da transformação martensítica ou bainítica depende do tamanho da secção transversal e das propriedades físicas do aço. Normalmente, nem todo o componente é endurecido, o que significa que a austenita não se transforma em martensita em toda a secção transversal. Portanto, não é preciso descrever isso como «temperamento total».
• Temperamento superficial – Apenas a camada externa do material é endurecida, enquanto o núcleo mantém uma estrutura ferrítica.

Além disso, os métodos de endurecimento volumétrico são categorizados com base no processo de arrefecimento:

• Têmpera convencional
• Têmpera rápida
• Martempering
• Austempering

Para o endurecimento superficial, a velocidade de arrefecimento é menos crítica e os objetos são normalmente temperados em água imediatamente após o aquecimento rápido. Os métodos de endurecimento superficial variam com base na técnica de aquecimento:

• Endurecimento por chama – Aquecimento com queimadores a gás.
• Endurecimento por indução – Aquecimento usando eletricidade de alta frequência.
• Têmpera em liga, têmpera em sal fundido – Aquecimento em banho de sal fundido ou chumbo.

O endurecimento superficial difere significativamente do endurecimento volumétrico, exigindo equipamentos e técnicas diferentes. No endurecimento superficial, o aquecimento é extremamente intenso, enquanto o endurecimento volumétrico é um processo mais lento e uniforme - comparável ao cozimento lento versus o cozimento rápido em uma frigideira quente. As relações entre esses métodos de endurecimento estão descritas na Tabela nº 1.

Profundidade da austenitização	Estrutura resultante	Método de arrefecimento	Método de transferência de calor
Endurecimento por volume / Aquecimento completo	Endurecimento por transformação martensítica	Endurecimento convencional
		Marchenching
	Endurecimento por transformação bainítica	Martempering
		Austempering
Endurecimento da superfície / Aquecimento da superfície	Endurecimento por transformação martensítica		Têmpera por chama
			Tempera por indução
			Têmpera da liga

Tabela n.º 1 - Principais tipos de endurecimento

Têmpera padrão com aquecimento total

As temperaturas de aquecimento são decididas pelas siderúrgicas e institutos de pesquisa e estão nos padrões da indústria. É super importante seguir esses padrões, principalmente para ligas de aço. Aqui estão alguns exemplos:

• Aço carbono estrutural C45: 820 - 860 ℃, arrefecimento: água, óleo
• Aço tratável termicamente 34CrNiMo6 / 1.6582: 830 - 860 ℃, água, óleo
• Aço de cementação 18CrNiMo7-6 / 1.6587: após cementação inicial: 840 - 870 ℃, após cementação secundária: 800 - 830 ℃, água, óleo
• Aço carbono para molas C67S: 830 - 850 ℃, óleo
• Aço ligado para molas 51CrV4: 820 - 870 ℃, óleo
• Aço para caldeiras 21CrMoV5-7: 930 - 950 ℃ em água, 940 - 960 ℃ em óleo
• Aço para ferramentas de trabalho a quente WWV, X30WCRV9-3, 1.2581: tratamento térmico com endurecimento a 1120 - 1160 ℃ seguido de arrefecimento e têmpera em banho de sal a 450 - 550 ℃
• Aço para ferramentas de trabalho a frio NZ3: 850 - 880 ℃, óleo

Para aços carbono, a temperatura de aquecimento necessária pode ser determinada apenas com base no teor de carbono. Os aços hipoeutectóides (<0,77% C) devem ser aquecidos 30-50°C acima da temperatura de transformação austenítica A₃. Isso garante a dissolução completa da ferrita e da cementita em austenita, maximizando a formação de martensita durante o arrefecimento. Os aços hipereutectóides (>0,77% C) devem ser aquecidos a 760-780 °C.

O tempo de aquecimento deve ser minimizado, garantindo as propriedades desejadas do material. Isso é importante tanto para a eficiência de custos como para a qualidade do produto final. No entanto, um aquecimento excessivamente rápido pode causar tensão térmica e fissuras. Para componentes de formato complexo com grandes áreas de superfície, recomenda-se o aquecimento gradual com imersão intermediária em várias temperaturas. Isso também é necessário para ligas de aço, pois os elementos de liga reduzem a condutividade térmica. Por exemplo, os aços para ferramentas são frequentemente aquecidos em duas ou três etapas.

Exemplos de tempos de aquecimento e imersão para aço carbono quando aquecido por completo:

• Seção transversal de 25 mm:
  • Fornos de câmara a gás - Aquecimento: 20 min, Imersão: 5 min
  • Fornos de banho de sal - Aquecimento: 7 min, Imersão: 3 min
• Seção transversal de 50 mm:
  • GCF - H: 40 min, S: 10 min
  • SBF - H: 17 min, S: 8 min
• Secção transversal de 75 mm:
  • GCF - H: 60 min, S: 15 min
  • SBF - H: 24 min, S: 12 min
• Secção transversal de 100 mm:
  • GCF - H: 80 min, S: 20 min
  • SBF - H: 33 min, S: 17 min
• Secção transversal 125 mm:
  • GCF - H: 100 min, S: 25 min
  • SBF - H: 40 min, S: 20 min
• Secção transversal 150 mm:
  • GCF - H: 120 min, S: 30 min
  • SBF - H: 50 min, S: 25 min
• Secção transversal 175 mm:
  • GCF - H: 140 min, S: 35 min
  • SBF - H: 55 min, S: 30 min
• Secção transversal 200 mm:
  • GCF - H: 160 min, S: 40 min
  • SBF - H: 65 min, S: 35 min

Para ligas de aço, os tempos de aquecimento devem ser aumentados em 25-40%.

Exemplos de tempos de aquecimento e imersão para machos, alargadores, brocas, brocas redondas e ferramentas sólidas durante o aquecimento total em banhos de sal:

• Primeira fase de pré-aquecimento a 550-600 °C: t = bD
• Segunda fase de pré-aquecimento a 800-850 °C: t = cD
• Tempo de aquecimento final até à temperatura de endurecimento: t = aD

Onde:

• t - tempo de aquecimento
• D - diâmetro da parte de corte da ferramenta em mm
• a: 0,09-0,12 para aço rápido, 0,17-0,18 para aço cromado de alta liga, 0,15-0,20 para aço-liga
• b: 0,35-0,50 para aço rápido, 0,30-0,40 para aço cromado de alta liga, 0,30-0,40 para aço ligado
• c: 0,30-0,35 para aço rápido, 0,30-0,35 para aço cromado de alta liga

Todos os dados devem ser considerados como orientações. A duração e a temperatura ideais do aquecimento são determinadas experimentalmente por meio de análise microscópica. A presença de ferrite no aço carbono ou excesso de carbonetos no aço-liga sugere temperatura de aquecimento insuficiente ou tempo de imersão inadequado.

Têmpera convencional

A têmpera convencional (têmpera de transformação martensítica padrão com arrefecimento contínuo) envolve o arrefecimento a uma taxa superior à taxa crítica de arrefecimento (CCR) sem interrupções, até a temperatura M_s e, às vezes, até mesmo a temperatura M_f. A próxima etapa no processo de tratamento térmico é o revenimento.

Meio de arrefecimento: Na prática, os aços carbono são temperados em água, enquanto os aços ligados podem ser arrefecidos em óleo ou, em alguns casos, até mesmo no ar.

Microestrutura alvo: A estrutura resultante consiste em martensite com austenite retida, bem como elementos que não sofrem transformação, como carbonetos e inclusões não metálicas.

Propriedades mecânicas: O endurecimento convencional resulta em dureza muito alta, mas não uniforme, alta resistência, ductilidade muito baixa e, portanto, alta fragilidade. O revenimento é necessário para melhorar a tenacidade e reduzir a fragilidade.

Marquenching

Marquenching (também conhecido como têmpera completa por etapas, têmpera graduada por transformação martensítica ou têmpera a quente) é usado para objetos pequenos e delicados, bem como aqueles com seções transversais complexas e variadas. O processo de arrefecimento envolve três fases:

• Arrefecimento num banho de sal ou óleo a uma temperatura ligeiramente acima do ponto de transformação martensítica.
• Imersão no banho até que a temperatura seja uniforme em toda a secção transversal. O tempo de imersão é mantido curto para evitar a transformação bainítica.
• Arrefecimento à temperatura ambiente no ar.

Estrutura alvo: Martensite, mas com tensões internas mais baixas e distorção reduzida, em comparação com o arrefecimento habitual.

Martempering

Martempering (também chamado de têmpera incompleta ou têmpera graduada com transformação bainítica) envolve o arrefecimento a uma taxa abaixo da taxa crítica de arrefecimento. Na prática, o processo é semelhante à têmpera marquenching, mas o tempo de imersão é prolongado para permitir o início da transformação bainítica.

Estrutura alvo: Uma combinação de bainite, martensite e austenite retida, conforme ilustrado na Figura 2.

Propriedades mecânicas: Maior ductilidade e resistência ao impacto em comparação com o aço típico temperado e revenido.

Austempering

O austempering (também conhecido como endurecimento bainítico com transformação isotérmica ou endurecimento isotérmico) consiste em três fases de arrefecimento:

• Arrefecimento da austenite super-arrefecida a uma temperatura abaixo da faixa de transformação perlítica.
• Imersão isotérmica num banho de arrefecimento a 250-400 °C até que a transformação bainítica esteja totalmente concluída.
• Arrefecimento à temperatura ambiente no ar.

Estrutura alvo: Bainita. Este processo combina endurecimento e revenimento numa única etapa. Não é necessário revenimento adicional.

Propriedades mecânicas: Maior dureza e resistência com tensões internas significativamente reduzidas.

Figura 2 - Martensita com bainita inferior. Fonte: Metallographic Atlas of Structures.

Arrefecimento em água, óleo e outros refrigerantes

A intensidade do arrefecimento é influenciada por vários fatores, incluindo o meio de arrefecimento (viscosidade, temperatura, condutividade térmica, calor específico, ponto de ebulição e calor latente de vaporização), o movimento do objeto em relação ao meio, a condição da superfície, a massa e a área da superfície.

Os meios de arrefecimento são classificados em quatro grupos, ordenados da intensidade de arrefecimento mais alta para a mais baixa:

• Água e soluções aquosas
• Óleos e gorduras
• Sais ou metais fundidos
• Ar comprimido

Taxas de arrefecimento relativas em diferentes meios entre 720-550 °C (quando água = 1):

• Água a 18 °C: 1
• 10% NaOH: 2,05
• 10% NaCl: 1,96
• Liga de 30% Sn / 70% Cd a 180 °C: 0,77
• Óleo mineral: 0,14 - 0,22
• Ar: 0,028

Taxas de arrefecimento relativas em diferentes meios em torno de 200 °C (quando água = 1):

• Água a 18 °C: 1
• 10% NaOH: 1,36
• 10% NaCl: 0,98
• Óleo mineral: 0,022
• Ar: 0,007

O movimento do objeto em relação ao meio de arrefecimento desempenha um papel crucial e pode aumentar significativamente a intensidade do arrefecimento.

Intensidades relativas aproximadas de endurecimento na água com base no movimento:

• Sem movimento: 1
• Movimento lento: 1,0 - 1,3
• Movimento moderado: 1,4 - 1,5
• Movimento forte: 1,6 - 2,0
• Movimento rápido: 4,0

A condição da superfície também afeta as taxas de arrefecimento. As camadas de óxido, que têm baixa condutividade térmica, retardam o arrefecimento, especialmente em óleo. Os objetos aquecidos em banho de sal tendem a endurecer de forma mais eficaz e uniforme do que aqueles aquecidos em forno de câmara.

Massa e área de superfície: Objetos compactos arrefecem mais lentamente, enquanto seções finas, bordas e saliências arrefecem mais rapidamente, podendo causar distorção ou rachaduras. A forma de um componente é um fator chave na seleção do tipo de aço apropriado para o endurecimento.

Endurecimento superficial

No endurecimento superficial, mesmo uma excedência significativa da temperatura de austenitização pode não ter um efeito prejudicial no resultado do endurecimento, uma vez que o tempo de aquecimento é reduzido para alguns segundos. Existem várias técnicas de endurecimento superficial. Com base no dispositivo de aquecimento utilizado, distinguem-se os seguintes tipos:

• Endurecimento por chama - aquecimento com queimadores a gás.
• Endurecimento por indução - aquecimento com correntes de alta frequência.
• Endurecimento em banho / Endurecimento de liga / Temperamento em sal fundido - aquecimento num banho de sal ou chumbo.

Exemplos de métodos de endurecimento superficial incluem endurecimento simultâneo, contínuo e em banho.

Método de endurecimento simultâneo envolve aquecer toda a superfície do objeto simultaneamente e, em seguida, arrefecê-lo simultaneamente ao atingir a temperatura necessária. Podem ser utilizadas bobinas de aquecimento com um perfil que corresponda ao objeto. Este método é comumente usado para endurecer ferramentas. Uma variante é o método de endurecimento por chama rotativa, em que a superfície de um objeto em rotação rápida (75-100 rpm) é aquecida usando um queimador a gás e, em seguida, arrefecida simultaneamente com um spray de todos os lados ao atingir a temperatura necessária. Este método é usado para objetos de pequeno diâmetro, virabrequins, munhões de eixo, eixos e engrenagens.

O método de endurecimento contínuo envolve o aquecimento gradual da superfície de um objeto em movimento lento usando uma chama de gás ou bobina de indução, seguido por um spray de água para resfriamento rápido. Esse método é usado para resfriar elementos muito longos, como trilhos, eixos longos e tubos.

O método de endurecimento em banho envolve o aquecimento lento e completo do aço num banho de sal fundido a uma temperatura abaixo da transformação A₁, seguido do aquecimento rápido da superfície acima de A₃ por imersão num banho de sal ou chumbo aquecido significativamente acima da temperatura A₃, mantendo-o no banho por um breve período e, em seguida, resfriando-o rapidamente num meio de têmpera.

Um exemplo de endurecimento por indução simultâneo é mostrado na imagem nº 3.

Imagem nº 3 - Endurecimento por indução simultâneo. Fonte: Heat Treatment of Steel.

Vantagens do endurecimento superficial

O endurecimento superficial é rápido e repetível. Uma grande vantagem é que ele pode ser aplicado a componentes já tratados termicamente, já que o tratamento superficial não danifica o tratamento térmico do núcleo. Isso permite o uso de aço carbono mais barato em vez de aço-liga mais caro.

Defeitos de endurecimento

Endurecimento incompleto - Se um objeto for aquecido a uma temperatura muito baixa ou não for mantido nessa temperatura por tempo suficiente, a ferrita não se dissolverá totalmente na austenita, resultando em grãos de ferrita não dissolvidos numa matriz martensítica após o resfriamento. O aço com essa estrutura tem dureza reduzida e propriedades mecânicas inferiores.

Superaquecimento do aço - O endurecimento adequado produz martensita de grão fino, que é menos frágil. Superaquecimento, ou seja, manter o aço a uma temperatura muito alta por muito tempo ou arrefecê-lo de forma muito agressiva, resulta em martensite de grão grosso com agulhas claramente definidas no fundo austenítico. O aço superaquecido é excessivamente frágil. Uma comparação entre martensite de grão fino e martensite de grão grosso é mostrada na Ilustração nº 4. O recozimento de normalização remove o superaquecimento do aço.

Imagem nº 4 - Martensita de agulha fina e agulha grossa. Fonte: Metallurgy and Heat Treatment.

Queima é um caso extremo de superaquecimento. Acontece quando a oxidação interna nos limites dos grãos rola. A queima é um defeito irreversível.

Arrefecimento excessivamente rápido acontece por usar um meio de têmpera muito agressivo ou imersão inadequada no banho, levando a rachaduras e distorções.

Arrefecimento excessivamente lento, por outro lado, leva à falha total ou parcial do processo de têmpera.

Tipos especiais de endurecimento

O endurecimento abaixo de zero é caracterizado por uma etapa adicional após o arrefecimento do objeto à temperatura ambiente (às vezes após o revenimento), em que o objeto é congelado em oxigénio líquido, uma mistura de dióxido de carbono sólido e álcool ou congeladores especiais. O objetivo do congelamento profundo é aumentar a dureza e outras propriedades, transformando ainda mais a austenita retida em martensita.

Referências

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