Tratamento Térmico – Perfil da camada Temperada pós Indução

As vantagens da utilização das simulações baseadas no MEF se devem aos elevados custos e dificuldades técnicas envolvidas nos tratamentos térmicos. Os tratamentos térmicos demandam mão de obra qualificada para operação, grandes quantidades de energia para aquecimento, utilização de matéria prima e uma grande quantidade de horas de trabalho o que em conjunto elevam o custo do processo. Esses custos são ainda mais elevados quando é necessária a implementação de um novo processo ou peça e também quando é necessária a solução de um problema.

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Tratamento Térmico pode melhorar as propriedades de aços feitos em impressão 3D

A manufatura aditiva do aço, também conhecida como impressão 3D, é vista como uma alternativa promissora para a indústria aeroespacial, pois permite criar peças customizadas em formatos complexos. Entretanto, sua aplicação prática ainda é desafiadora, pois a microestrutura do aço obtido por essa tecnologia é diferente daquela resultante da fabricação tradicional, o que pode comprometer as propriedades mecânicas do material.

Em artigo publicado no periódico Additive Manufacturing, pesquisadores brasileiros mostraram ser possível manipular as propriedades de um tipo de aço produzido por manufatura aditiva com tratamentos térmicos. O estudo, apoiado pela FAPESP, foi conduzido no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), em Campinas.

O aço

O aço investigado no projeto foi o maraging grau 300, material ultrarresistente obtido a partir do envelhecimento da matriz martensitica – que, por sua vez, é um produto da austenita. Além da resistência mecânica, ele é dúctil, isto é, capaz de absorver deformações. Essa característica é importante em materiais submetidos a cargas intensas e ciclos de fadiga, como uma turbina de avião ou um trem de pouso, por exemplo.

“Percebemos na literatura que, quando o aço maraging é fabricado por manufatura aditiva, atinge a resistência desejada, mas a ductilidade é menor”, disse Julian Arnaldo Avila Diaz, professor dos cursos de Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações e de Engenharia Aeronáutica da Universidade Estadual Paulista (Unesp), em São João da Boa Vista, à Agência FAPESP.

Durante o envelhecimento do aço maraging, os diferentes elementos que formam sua microestrutura se agrupam. São esses grupos que determinam resistência e ductilidade do material e sua organização depende de fatores como tempo e temperatura.

Entretanto, devido à heterogeneidade da precipitação desses elementos de liga na matriz durante a manufatura aditiva, o envelhecimento tradicional – tratamento térmico em temperatura que varia conforme a liga utilizada, mas que geralmente é feito na faixa de 500 ºC por um período de até quatro horas – não traz o efeito esperado na microestrutura do aço maraging.

Os pesquisadores tentaram, então, alterar os agrupamentos de elementos com temperaturas diferentes das usuais. O objetivo era aumentar a quantidade de austenita na matriz martensítica, que tem ductilidade maior do que a martensita.

“Buscamos uma faixa de temperatura e de tempo de exposição em que parte da martensita se dissolvesse o suficiente para formar austenita e ficasse estável, ou seja, não voltasse à forma original”, disse Diaz.

Luz síncrotron

As peças de aço maraging usadas foram construídas por fusão a laser seletiva e homogeneizadas a 820 °C. Depois de fabricadas, as amostras foram submetidas a revenimento – tratamento térmico no campo bifásico – em três temperaturas, 610 °C, 650 °C e 690 °C, por cerca de 30 minutos.

Nas duas primeiras, houve transformação gradual e significativa da martensita em austenita, com alta estabilidade térmica, que seria o cenário ideal para promover a ductilidade. Já aos 690 °C, houve formação excessiva da fase austenita e conversão indesejada do material em martensita durante o resfriamento.

A determinação da quantidade de austenita e martensita medida experimentalmente foi comparada com simulações termodinâmicas. O estudo foi feito na estação experimental XTMS, associada à linha de luz XRD1 de difração de raios X do LNLS. Esse tipo de raios X consegue analisar porções bem específicas de materiais, em níveis microscópicos, e transmitir informações em tempo real sobre o comportamento da peça.

“Graças à luz síncrotron, observamos pela primeira vez ao vivo todas as fases do processo neste tipo de aço, algo que só víamos em imagens estáticas na literatura”, disse Diaz. Outra vantagem foi conseguir definir exato, nos diferentes patamares de temperatura testados, necessário para atingir esse efeito – chamado de TRIP (plasticidade induzida por transformação, na sigla em inglês).

Para Diaz, a luz síncrotron é uma ferramenta fundamental em pesquisas da área metalúrgica que podem levar a novos materiais e peças para todas as indústrias brasileiras. esta pesquisa estamos estudando manufatura aditiva de aços, mas todos os processos de fabricação e transformação de metais podem ser analisados de maneira in situ no síncrotron. Basta vincular as empresas conosco os pesquisadores para encarar os desafios.”

Possibilidades para o futuro

Em linhas gerais, a pesquisa constrói as bases para um novo tipo de aço feito por impressão 3D, com ductilidade elevada. “Conseguimos criar uma matriz que aparenta ser resistente, embora não ao ponto do aço maraging tradicional, mas com ductilidade considerável”, disse Diaz.

Os próximos passos envolvem mais análises cristalográficas, em diferentes faixas de temperatura, e, depois, submeter o material a testes mecânicos, que irão comprovar se a hipótese do grupo (de que a ductilidade pode ser melhorada) é válida na prática.

Por enquanto, a manufatura aditiva do aço só é usada em protótipos, justamente por conta da imprevisibilidade de sua microestrutura. Espera-se que, com este trabalho e os próximos que virão, seja mais fácil viabilizar seu uso efetivo em indústrias críticas. “A partir disso, poderemos criar tecnologias que mudarão a vida de várias maneiras”, disse Diaz.

O artigo Austenite reversion kinetics and stability during tempering of an additively manufactured maraging 300 steel, de F.F. Conde, J.D. Escobar, J.P. Oliveira, A.L. Jardini, W.W. Bose Filho e J.A. Avila, pode ser lido em:

www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860418308030?via%3Dihub.

Tratamento térmico: tudo que você precisa saber

Tratamento térmico é um conjunto de processos que visa melhorar as propriedades dos metais. Pode agir de forma total (em toda a peça) ou de forma localizada (apenas em uma parte de peça).

O princípio básico é a reorganização estrutural dos átomos, visando adequar os parâmetros para o melhor aproveitamento da peça metálica. Isto ocorre quando a peça passa por aquecimento e resfriamento de forma controlada, proporcionando:

  1. Aumento de sua vida útil quando em uso;
  2. Melhoria das propriedades mecânicas;
  3. Maior proteção contra oxidações.

Tratamento térmico: como é realizado e quanto tempo dura na peça?

Dependendo do tipo de processo metalúrgico de tratamento térmico aplicado à peça, ele durará até o final da vida útil da peça tratada, desde que utilizada adequadamente.

No processo de tratamento térmico da peça metálica, diversos parâmetros são controlados, mas basicamente são 5 grandes variáveis técnicas:

1) Temperaturas:

É a temperatura de aquecimento e resfriamento, fator primordial para se obter o que se deseja.

2) Tempos:

Os tempos, em temperatura, são importantes para que se tenha homogeneidade em toda a seção da peça.

3) Velocidades:

Aquecimento ou resfriamento lento, moderado ou rápido para que se alterem as propriedades da peça.

4) Atmosfera:

Trata-se do produto que envolve a peça dentro do forno quando está sendo tratada. Esta pode ser sólida (como carvão), líquida (banho de sais) ou gasosa (gases especiais).

5) Material:

É a liga metálica envolvida. Milhares de ligas metálicas estão disponíveis para uso regular e comercial. Cada uma requer um determinado tipo de tratamento térmico para se obter os melhores resultados.

O controle adequado dessas variáveis dos processos de tratamento térmico é de extrema importância para garantir a sua eficácia.

Mas, afinal, para que serve o tratamento térmico?

O tratamento térmico serve para melhorar as propriedades de peças metálicas quando em uso ou utilização. Pode-se “amolecer” ou “endurecer” uma peça de acordo com o que se quer fazer. Tudo está atrelado a aplicação e o destino onde a peça será utilizada. Os tratamentos térmicos são processos metalúrgicos que objetivam melhorar as propriedades metalmecânicas de peças, elevar sua resistência, vida útil e durabilidade quando em uso.

O tratamento térmico também ajuda nos seguintes aspectos:

a) No aumento da resistência mecânica da peça metálica;

b) Auxilia na usinabilidade da peça;

c) Reduz o desgaste;

d) Elimina tensões evitando quebras;

e) Melhora as características e aumenta a vida útil de uma peça metálica.

 

No processo de fundição se formam muitas tensões na peça quando ocorre a mudança do estado físico do líquido para o sólido. Estas tensões normalmente ocasionam pontos frágeis, pontos demasiadamente tensionados, deformações e/ou falhas dimensionais, que é algo indesejado, pois pode comprometer a peça como um todo. O processo de tratamento térmico irá reorganizar os átomos e deixar a peça mais adequada para uso. Isso gera consequências, tais como:

  1. Aliviar tensões;
  2. Melhorar e/ou padronizar da estrutura metalúrgica;
  3. Elevar a resistência, homogeneizando a coisa como um todo, ou seja, preparando a peça para a etapa seguinte, que pode ser, por exemplo, a usinagem da peça.

Quais são os tipos de tratamento térmico mais utilizados?

No tratamento térmico, os processos mais utilizados são:

Recozimento:

Consiste em aquecer a peça a uma temperatura adequada, seguindo-se de um resfriamento lento. O objetivo deste tratamento é de conferir uma dureza baixa e uma ductilidade alta.

Normalização:

Consiste em aquecer a peça a uma temperatura adequada com resfriamento lento normalmente ao ar. Visa obter dureza baixa, boa ductibilidade e eliminar estruturas provenientes de tratamentos anteriores.

Austêmpera:

Consiste em aquecer a peça a uma temperatura adequada, seguido de um resfriamento em um meio brando, normalmente em banho de sal, visando uma estrutura especial chamada baianítica que é dúctil e tenaz.

Martêmpera:

Consiste em aquecer a peça a uma temperatura adequada seguido de um resfriamento em meio brando, normalmente em banho de sal, visando uma estrutura chamada martensítica que é dura e frágil.

Têmpera:

Consiste em aquecer a peça a uma temperatura adequada seguida de um resfriamento rápido, normalmente em água ou óleo visando aumentar a sua dureza.

Revenido:

Tratamento térmico posterior à têmpera. A peça é reaquecida a uma faixa normalmente entre 150°C e 600°C e visa aliviar as tensões e ajustar a dureza.

Cementação:

É um processo termoquímico de endurecimento superficial. Consiste em aquecer a peça em meio rico em carbono fazendo com que este se difunda para o exterior da peça com o objetivo de obter-se uma camada superficial mais dura.

Carbonitretação:

Processo similar a cementação, porém com adição de nitrogênio e que após temperado apresenta camada com elevada dureza.

Nitretação:

Processo de endurecimento superficial normalmente em temperatura de 495°C a 575°C. Consiste na introdução de nitrogênio na superfície do aço conferindo-lhe uma camada dura resistente do desgaste, corrosões e fadiga.

A Indução é um tratamento térmico superficial: o que isso significa?

Em alguns casos existe a necessidade ou apenas a possibilidade de realizar tratamento térmico de forma localizada, ou seja, em apenas uma parte da peça, seja pela sua complexidade, utilização, tamanho, geometria ou aplicação. O processo de tratamento térmico por indução eletromagnética é uma forma de fazer isto de maneira controlada, trazendo enormes benefícios práticos e econômicos. O tratamento térmico ocorre deforma localizada, ele não abrange toda a peça, atua apenas em uma região específica.

Quais os produtos que sofrem o processo de tratamento térmico?

Inúmeras e infinitas são as possibilidades, tudo dependerá daquilo que se deseja realizar na peça e a sua aplicação no momento. Ele é utilizado em vários itens com os quais lidamos no nosso dia a dia, tais como:

– Cintos de segurança;

– Alicates de unha;

– Peças de navio, carro, caminhão, trator, máquinas e equipamentos;

– Salto de sapato;

– Facas;

–  Instrumentos cirúrgicos;

– Moldes e matrizes para diversas aplicações industriais.

Tratamento térmico: quais os materiais envolvidos no processo?

Temos três grandes grupos que são:

1)Ferrosos:

São aqueles que em sua base majoritariamente apresentam ferro. Um exemplo é o aço cuja mistura é de dois elementos fundamentais, o ferro + carbono. Aço baixo carbono, médio e auto carbono, aços inoxidáveis, aços ferramenta, ferro fundido são exemplos de materiais ferrosos. Nesse caso podem apresentar outros elementos químicos além do carbono na sua composição química.

2)São ferrosos:

São aqueles que apresentam outros elementos químicos fundamentais em sua base que não é o ferro. O alumínio, cobre, magnésio e suas ligas são um bom exemplo disso.

3)Superligas:

São uma composição ou conjunção de elementos metálicos fundamentais que não se encaixam em nenhum dos casos acima.

 

Link: Quer conhecer mais sobre tratamento térmico? Assista ao vídeo do Telecurso 2000, que auxilia no entendimento deste processo de transformação!

https://www.youtube.com/watch?v=dBjwz15UVDU