A parte I da trilogia do “Manual do Tratamento Térmico” dedicada à tecnologia de vácuo empregada para modificar as propriedades mecânicas de ligas ferrosas abordou aspectos técnicos do resfriamento com gases sob pressão. A parte II apresentou a técnica de aquecimento, manutenção a temperatura e resfriamento de uma liga ferrosa da classe de trabalho a quente. E, completando essa trilogia, esta parte aborda processos e ligas ferrosas possíveis de utilizar a tecnologia de vácuo.
A utilização do forno a vácuo para temperar ligas ferrosas está limitada à composição química do aço. No tratamento térmico de ligas ferrosas é muito importante conhecer a composição química destas, pois cada liga tem bem determinado e registrado em literaturas técnicas e folhetos técnicos do fabricante do aço um “mapa” com curvas mostrando o início e o fim da transformação microestrutural do aço. Essas curvas são conhecidas como TTT, Transformação, Tempo e Temperatura. A Fig. 1 apresenta uma curva TTT com as principais linhas que delimitam o início e o fim da reação austenítica e os respectivos produtos microestruturais que podem se formar a partir de determinada condição de extração de calor (taxa de resfriamento – oC/min).
Essa curva relaciona a temperatura (oC) e o tempo (segundos ou minutos, em escala logarítmica) e mostra um importante ponto indicando se o meio de resfriamento selecionado para temperar o aço estaria adequado para produzir a microestrutura martensítica, total ou parcial. Esse ponto na curva TTT da Fig. 1 está sinalizado pela seta vermelha indicando o “tempo de incubação” e a respectiva linha de resfriamento do aço quase tocando a curva de início de transformação austenítica, que produziria “outros produtos” (bainita e ferrita, por exemplo), mantendo a austenita (instável) até encontrar e cruzar a linha de formação martensítica “Mi” (início de formação de martensita) e “Mf” (fim da reação austenita-martensita).
O “tempo de incubação” está relacionado a uma “velocidade crítica” de resfriamento. Dependendo da composição química do aço, esse tempo pode ser “negativo” e nisto o aço não produziria a microestrutura martensita; de outro lado, tempo de incubação pequeno, ou muito grande, representaria poder utilizar com sucesso meios de resfriamento desde água, óleo, polímeros e gás, ou mistura de gases, sob pressão.
O principal elemento químico que produz dureza no aço quando resfriado rapidamente é o “carbono”. Os elementos de liga adicionados ao aço melhoram as propriedades mecânicas, tais como resistência ao desgaste e resistência à corrosão, mas pouco acrescentam à dureza. Contudo, a presença da maioria dos elementos de liga desloca a curva de início de transformação austenítica para a direita, ou seja, aumenta o tempo de incubação para tornar o aço capaz de adquirir máxima dureza até mesmo se resfriado ao ar.
A Fig. 2 é uma ilustração para os principais produtos de microestrutura que se poderia obter numa liga ferrosa aquecida a temperatura de austenitização e com resfriamentos nas condições mostradas pelas linhas 1, 2 e 3.
Portanto, de forma resumida, simples, esses seriam os principais elementos que condicionariam a utilização da tecnologia a vácuo para a operação de têmpera de uma liga ferrosa.
Processos
A utilização da tecnologia a vácuo para a realização de têmpera, como exposto no parágrafo anterior, estaria limitada àquelas ligas ferrosas com elementos químicos deslocando a curva TTT para a direita. As curvas TTT caracterizam situações de transformação em temperatura constante, porém, na realidade dos processos térmicos é necessário conhecer as limitações para o resfriamento contínuo. Para atender à situação real foram desenvolvidas as curvas TRC – Transformação em Resfriamento Contínuo que podem prever a microestrutura e a dureza conforme o resfriamento utilizado. A Fig. 3 apresenta a curva TRC do aço SAE 4340, aço classificado como “construção mecânica”, de baixa composição em liga, ou seja, 0,80% Cromo, 0,30% Molibdênio e 1,80% de Níquel.
A Fig. 4 apresenta a curva TRC do AISI H11, classe de trabalho a quente, sendo 5,0% Cromo, 1,4% Molibdênio e 0,4% Vanádio, que pode manter a austenita instável até alcançar a temperatura de transformação “Mi”. Como pode ser observado, as curvas TRC desses aços, SAE 4340 e AISI H11, mostram tempos de incubação muito bem definidos. A partir dessas informações é possível selecionar o melhor meio de resfriamento para promover a completa transformação austenita-martensita.
Conhecendo-se a curva TRC do aço SAE 4340, tempo de incubação de 10 segundos e a taxa de resfriamento do processo de têmpera a vácuo – ver Capítulo I Manual do Tratamento Térmico -, conclui-se que não seria possível realizar a transformação austenita-martensita completamente utilizando a tecnologia a vácuo. Nesse caso, torna-se mandatório utilizar o resfriamento em óleo, ou banho de sal fundido. A transformação completa da reação austenita-martensita do aço SAE 4340 na tecnologia a vácuo poderia ocorrer em situações de peças de pequenas dimensões e sob elevada pressão de resfriamento com gás inerte ou mistura de gases, por exemplo, nitrogênio+hélio, ou nitrogênio+argônio.
Diferentemente, para o aço AISI H11 a curva TRC mostra que a reação austenita-martensita pode ocorrer mesmo em resfriamento ao ar, pois o “tempo de incubação” é muito grande, ou seja, da ordem de 15 minutos.
Aços para Têmpera a Vácuo
A Tabelas 1, 2 e 3 apresentam alguns dos principais aços utilizados pela indústria do setor metal mecânico que podem utilizar o processo de têmpera a vácuo. Aços de normas nacionais (ABNT), internacionais (SAE, AISI, DIN) e equivalentes com marcas dos respectivos fabricantes.
Já a Tabela 4 apresenta exemplos de aços das normas SAE, ABNT, AISI e marcas de fabricantes que não podem utilizar a “têmpera a vácuo”.
A tecnologia a vácuo também pode realizar tratamentos termoquímicos, tais como Nitretação, Cementação ou Carbonitretação. A principal vantagem do processo de Cementação a Vácuo é a possibilidade de operar em temperaturas mais elevadas e, com isto, reduzir o tempo total de ciclo. A vantagem secundária seria produzir peças limpas e o fácil controle de potencial de carbono. O resfriamento pode acontecer com gás inerte, ou mistura de gases, sob alta pressão.
Processos de nitretação a vácuo podem ser realizados com eficiente controle do potencial de nitrogênio para produzir superfícies com, ou sem, camada branca e consumo reduzido de amônia.
Outro processo possível de se realizar na tecnologia a vácuo é a Martêmpera ou “Isothermal Quenching” (vide parte II, Manual do Tratamento Térmico). A Fig. 5 mostra as curvas de aquecimento e resfriamentos em processo de martêmpera a vácuo para uma peça construída em aço AISI H11 e de grande dimensão e peso. Nesse exemplo, a condução do processo de martêmpera mostra que a temperatura da superfície sofre resfriamento rápido desde a temperatura de austenitização até uma temperatura da ordem de 400oC, quando então a pressão de resfriamento inicial de 6 bar é reduzida para ordem de 2 bar com o objetivo de manter esta temperatura de superfície enquanto o núcleo está em 900oC, aproximadamente. Uma vez reduzida a pressão de resfriamento, a temperatura de superfície ainda sofreria redução, mas sem alcançar a zona de formação martensítica e, logo em seguida, elevação até pouco acima de 400oC em razão do calor proveniente do núcleo.
Caso o resfriamento continuasse direto até alcançar a zona de formação martensítica (–“Mi ~300oC ) com a diferença de 500oC entre superfície e núcleo, seriam elevados os riscos de maior deformação e, principalmente, a nucleação de trincas, e produzir trincas é o que nunca se desejaria em quaisquer processos de resfriamento visando à transformação completa “austenita-martensita”. Para mitigar esses riscos, o processo de martêmpera pode ser realizado e consistiria em manter a temperatura da superfície em torno de 400oC, aguardar a redução da diferença “superfície-núcleo” para a ordem de 100oC e, uma vez esta atingida, retomar a pressão de resfriamento de 6 bar até temperatura de núcleo inferior a 100oC. Nessa terceira etapa do resfriamento ocorre redução das tensões térmicas, permitindo, assim, conduzir com segurança o processo térmico até o final.
A tecnologia a vácuo ainda pode ser aplicada para outros processos térmicos, tais como:
• Solubilização: resfriamento rápido de ligas inoxidáveis austeníticas;
• Brasagem: processo de “soldagem a vácuo” de superfícies ferrosas.
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[1] Informes Técnicos e Haikais Técnicos Isoflama.
[2] Universidade RGS, Departamento de Engenharia de Materiais.
[3] Tool Steels, Steel Products Manual. Iron and Steel Society, april 1988.
[4] Catálogo técnico Uddeholm.
[5] Catálogo técnico Seco-Warwick.
