Têmpera superficial por indução
1 - Introdução
Têmpera é um dos processos utilizados no
tratamento térmico de metais para aumentar a dureza e conseqüente resistência
dos mesmos. O processo da têmpera consiste em duas etapas: aquecimento e
esfriamento rápido ou brusco. O aquecimento visa obter a organização dos
cristais do metal, numa fase chamada austenitização. O nome deriva do
sobrenome, Austen, do descobridor dessa fase, a qual é explicada abaixo. O
esfriamento brusco visa obter a estrutura martensita (supersaturada em carbono;
nome deriva do sobrenome Martens, de seu descobridor).
A têmpera por indução vem a ser a têmpera
localizada e superficial realizada em superfícies onde seja desejável alta
dureza, sub-superfície tenaz e alta resistência ao desgaste, onde muitos fazem
analogia ao tratamento de cementação, entretanto restringido a áreas
específicas da peça, reduzindo distorções devido às tensões internas, no
entanto, o objetivo principal da têmpera por indução é o aumento da resistência
à fadiga.
ƒ A têmpera superficial produz regiões
endurecidas na superfície do componente (de microestrutura martensítica) de
elevada dureza e resistência ao desgaste, sem alterar a microestrutura do
núcleo.
-
Vantagens comparativas do endurecimento superficial em relação ao total:
-
Dificuldades técnicas decorrentes do tratamento térmico de peças de
grandes dimensões;
-
Diminuição do risco de trincas em peças de grandes dimensões;
-ƒ
Possibilidade de endurecimento apenas regiões submetidas ao desgaste;
-ƒ
Economia - Emprego de aços de baixa temperabilidade (aços ao carbono de
custo mais baixo) no lugar de aços de alta temperabilidade (custo mais
elevado);
ƒ Produtividade – o tratamento de têmpera
superficial é mais rápido;
2 - Equipamento
Basicamente, utilizam-se bobinas elétricas e
uma fonte de energia elétrica, como um conversor de corrente alternada. Segeum
alguns exemplos de bobinas utilizadas:
Seguem alguns arranjos utilizados para o
processo
3 - O procedimento
Basicamente, o aço é aquecido por um campo
magnético gerado por uma corrente alternada de alta frequência que passa
através de um indutor ( bobina de Cobre resfriada a água). O campo gerado
depende da resistência da corrente e do n. voltas da bobina
A camada externa é austenitizada e
imediatamente resfriada, o que provoca a têmpera.
Os métodos de têmpera superficial diferem em
função das fontes de energia utilizadas. Nesse trabalho trataremos apenas da têmpera por indução.
A energia necessária para a têmpera por
indução é fornecida na forma elétrica que se converte para a forma térmica. Um
conversor fornece corrente alternada de alta freqüência para um indutor que
induz uma corrente parasita na superfície da peça aquecendo-a rapidamente. A
temperatura depende da potência disponível e do tempo de aquecimento. A
profundidade de austenitização é basicamente determinada pela freqüência
utilizada.
A têmpera por indução é dividida em três
métodos:
• Têmpera progressiva
• Têmpera rotativa
• Têmpera estacionaria
3.1 - Têmpera progressiva
No método de têmpera progressiva a fonte de energia é acoplada à ducha de resfriamento e ambas
são guiadas sobre a superfície da peça.
Com isto somente uma zona estreita é progressivamente aquecida e imediatamente
resfriada.
3.2 - Têmpera rotativa
Na têmpera rotativa a peça gira entre o
indutor ou queimadores (para processo à chama)até que se atinja a temperatura
de têmpera na profundidade desejada. O resfriamento ocorre numa segunda
operação através da imersão da peça num tanque de resfriamento.
A têmpera rotativa é um método utilizado para
aumentar a resistência à fadiga
tanto do flanco como da raiz do dente (casos
de rodas dentadas), através da têmpera total do dente até uma profundidade de
aproximadamente 2 a 5 mm abaixo da raiz. A resistência à fadiga da raiz do
dente é igual a da têmpera dente a dente do flanco e raiz.
A têmpera rotativa por chama pode ser
considerada um método seguro e flexível.
Engrenagens de módulo 1 até módulo 20,
diâmetro até 2000 mm e altura até 400
mm podem ser temperadas. Já a têmpera rotativa
por indução das engrenagens
está limitada a pequenos diâmetros de até 350
mm em função da limitação da
potência do conversor.
4 - Dureza superficial
A máxima dureza superficial atingível depende
basicamente da quantidade de
carbono que é solubilizada na temperatura de
têmpera. Uma quantidade de
carbono de 0,3%, a dureza atingida é de
aproximadamente 50 HRC e para 0,5%
a dureza de 60 HRC.
Como não ocorre um efeito de cementação durante
a têmpera por chama e
indução, o material deve ter o carbono
necessário para a requerida dureza antes
do tratamento. Quando se utiliza materiais
para cementação, estes devem ser
cementados antes, obrigatoriamente.
Durante o resfriamento a velocidade crítica de
resfriamento deve ser alcançada
para que a austenita seja transformada
totalmente em martensita. No caso de
materiais não ligados, o resfriamento deve ser
feito quase sempre em água.
5 - Profundidade de têmpera
A profundidade de têmpera atingível depende
basicamente de dois fatores da
profundidade de aquecimento e da
temperabilidade do material.
Segue um gráfico comparando 4 tipos de aços e
suas durezas em função da profundidade de têmpera:
Na têmpera por indução a profundidade de
aquecimento é função da freqüência e
da potência utilizadas. Fatores importantes
também são o tempo de austenitização
e a densidade de potência em KW/cm2.
No caso da têmpera por chama, a profundidade
de aquecimento é influenciada
pelo tempo de austenitização, a distância
entre os queimadores e a peça e a
quantidade de energia fornecida. Com intuito
de obter a profundidade de têmpera
requerida o material deve possuir também a
temperabilidade necessária, que não
depende somente da composição química, mas
também de sua estrutura original.
Esta estrutura deve ser homogênea resultante
de recozimento, normalização ou
beneficiamento.
No geral, conforme demonstra o gráfico,
pode-se dizer que com materiais não ligados, a máxima profundidade de têmpera é
de 2 a 4 mm, logo, quando se necessita maiores profundidades, deve-se usar
materiais ligados.
Relação entre elemento de liga e profundidade
de Têmpera atingível
1,5 manganês 3 a 6 mm
Cromo-molibdênio 4 a 12 mm
Cromo-níquel-molibdênio 4 a 20 mm
- Tratamentos preliminares recomendados
Deve-se executar sempre que possível um
recozimento para alívio de tensões
nas peças antes de serem temperadas, para se
remover as tensões internas, que
de outro modo, seriam aliviadas durante o
processo de têmpera podendo gerar
distorções.
Recomenda-se o seguinte procedimento na
fabricação de uma engrenagem, a
ser temperada superficialmente, com intuito de
minimizar as distorções:
• Normalização do material ou beneficiar para
a dureza de núcleo especificada.
• Desbastar o corpo e região a ser temperada
superficialmente
• Aliviar tensões
• Acabar região a ser
temperada
• Temperar
• Retificar
6 - Fatores produtivos/econômicos
Não existe uma regra geral que determine, sob
ponto de vista produtivo/
econômico, qual dos processos é mais
recomendado.
A seleção do processo e do método empregado
deve ser analisada caso a caso,
devendo ser levado em consideração as
especificações técnicas, a geometria/
dimensões da peça, a localização da têmpera e
capacidade do equipamentos
disponíveis.
7 - Possíveis problemas
• Pontos macios: resulta de bolsas de vapor
que se formam na superfície da peça evitando o seu rápido resfriamento
• Trincas de tempera: podem ocorrer devido a
severidade de tempera excessiva, tempera não uniforme, rugosidade superficial.
• Distorção do componente: ocorre em
consequência do alivio de tensões residuais, aquecimento desigual tempera não
uniforme ou geometria do próprio componente.
Conclusão sobre o processo
• Pode-se restringir a área temperada a quase
todas as partes do
componente.
•
Comparando com a cementação, consegue-se maiores profundidades
de têmpera e as tensões térmicas são menores,
o que tem efeito positivo na
distorção.
•
Áreaslocalizadasfora da zona temperada podem ser acabadas após o
processo de têmpera, sem grandes problemas.
•
Pode-se temperar peças de grande porte,sem necessidade de grandes
fornos ou instalações.
8 - O ensaio Jominy
O ensaio Jominy, é designado para avaliar a
temperabilidade de um aço, ou seja, a capacidade de se obter martensita por
tratamento térmico de têmpera. Consiste num dispositivo onde se coloca um corpo
de prova cilíndrico, austenitizado, sobre um jato de água, até seu total
resfriamento. Em seguida é feita a medida de dureza ao longo de todo o seu eixo
axial.
O procedimento do ensaio é descrito na norma
ASTM A255 e NBR6339.
Austenitização: O corpo de prova cilíndrico,
com 1" de diametro x 4" de comprimento, é colocado em um forno a uma
temperatura na faixa de 900°C durante um período de 30 minutos.
Resfriamento: Após a austenitização, o corpo
de prova é colocado em um dispositivo onde recebe um jato de água, de um tubo
de 10mm de diametro colocado pouco abaixo de sua base, regulado a uma pressão
correspondente a altura livre de 65mm.
Medição de Dureza: A dureza é medida em
Rockwell C (HRC) a partir de um corte transversal à peça em intervalos de
1/16".
É notável que a dureza cai em função da
distância da extremidade temperada.
8.1 - O corpo de prova
O corpo de prova deve ter forma cilíndrica, de
25 mm. de diâmetro por 100 mm de comprimento (aproximadamente 1" x 4"
) . Além disso deve ser dotado de um flange de suporte na extremidade superior
de 32 mm. De diâmetro por 3 mm. de comprimento.
A peça deve ser extraída por usinagem de uma
barra laminada ou forjada de 32 mm. de diâmetro afim de se eliminar uma
eventual descarbonetação. Vale lembrar que os corpos-de-prova devem estar
normalizados e autenitizados antes do ensaio, conforme temperaturas
especificadas pela norma.
Seccção transversal de um corpo de prova para
o ensaio Jominy
8.2 - Aparelhagem
Além do forno necessário para se aquecer o
corpo de prova é necessária a utilização da seguinte aparelhagem :
-
suporte com dimensões normalizadas afim de suportar o corpo-de-prova.
-
Orifício de 12 mm. de diâmetro localizado na parte inferior do suporte, na
posição vertical e bem centrada com o mesmo.
-
Registro de água com dispositivo para abertura bem rápida.
-
Recipiente construído com dimensões adequadas para poder recolher a água
utilizada no ensaio e, além disso, conter o suporte do corpo-de-prova e a
canalização da água.
- Caixa
para abastecimento de água.
-
Suporte para ser utilizado na medição da dureza do corpo de prova.
-
Máquina de dureza Rockwell.
9 - Revenimento do Aço 4140
Características gerais: Aço de média temperabilidade,
que atinge valores intermediários de durezas, resistência e tenacidade após
beneficiamento.
Similares: SAE 4140; ABNT 4140; AISI 4140;
ASTM A322 Tipo 4140; DIN WNr 1.7225.
Aplicações: Utilizado na fabricação de peças
para as indústrias de exploração de petróleo, automotiva, siderúrgica e de bens
de capital.
Exemplos: Hastes e porcas para árvores de
natal e “manifold”, virabrequins, bielas, cabeçotes, rolos para laminação e
lingotamento contínuo, eixos para turbinas e geradores hidráulicos
Recomendações: Deve ser realizado
imediatamente após a têmpera quando a temperatura atingir ~ 70ºC. A temperatura
de revenimento deve ser selecionada de acordo com a dureza especificada no
componente. Para isto utilizar a curva de revenimento.
Manter na temperatura de revenimento por no
mínimo 1 hora para cada 25 mm de espessura e utilizar no mínimo por duas horas.
Não revenir entre 230-370ºC por causa da fragilidade ao revenido.
Nota-se
que durante revenimento, de 220 a 620°C, existe uma queda na dureza de
aproximadamente 30 HRC.
10 - Discução: Relação entre o ensaio Jominy e
a ZTA.
Notam-se algumas similaridades entre a ZTA em
soldagem a arco e o ensaio Jominy. Ambos possuem gradientes térmicos e durezas
que acompanham os mesmos. No caso do ensaio Jominy, a extremidade mais dura é
aquela que entra em contato com o fluído refrigentante (água, óleo ou
salmoura), enquanto no caso de uma solda, a maior dureza se atinge na ZTA.
No ensaio Jominy, a maior taxa de martensitas
se encontra na região que sofreu contato com o fluído refrigerante. No caso de
uma solda, a maior taxa de martensita se dá nas adjacências da linha de fusão
(que sofre resfriamento rápido, assim como no ensaio Jominy).
11 - Bibliografia
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