Tratamento térmico dos aços - senai, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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TRATAMENTO TÉRMICO DOS AÇOS

SENAI-RS – SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL

DEPARTAMENTO REGIONAL DO RIO GRANDE DO SUL

CONSELHO REGIONAL

Presidente Nato

Francisco Renan O. Proença – Presidente do Sistema FIERGS

Conselheiros Delegados das Atividades Industriais – FIERGS

Titulares

Manfredo Frederico Koehler Astor Milton Schmitt Valayr Hélio Wosiack

Suplentes Deomedes Roque Talini Arlindo Paludo Pedro Antônio G. Leivas Leite

Representantes do Ministério da Educação

Titular

Edelbert Krüger

Suplente

Aldo Antonello Rosito

Representantes do Ministério do Trabalho e Emprego

Titular

Neusa Maria de Azevedo

Suplente

Elisete Ramos

Diretor do Departamento Regional do SENAI-RS José Zortéa

DIRETORIA REGIONAL DO SENAI-RS

José Zortéa – Diretor Regional Paulo Fernando Presser – Diretor de Educação e Tecnologia Jorge Solidônio Serpa – Diretor Administrativo-Financeiro

TRATAMENTO TÉRMICO

© 2004, SENAI-RS

Trabalho organizado por técnico do CEP SENAI Lindolfo Collor, sob a coordenação

da Unidade de Negócios em Educação Profissional de Nível Básico da Diretoria de

Educação e Tecnologia do Departamento Regional do SENAI–RS.

Coordenação Geral Paulo Fernando Presser DET

Coordenação Técnica Jaures de Oliveira DET/UNEP

Coordenação Local Paulo Pires CEP SENAI Lindolfo Collor

Elaboração Aury da Silva Lutz CEP SENAI Lindolfo Collor

Revisão técnica Luiz Carlos Nascimento Lopo consultor

Digitação, formatação e revisão lingüística e gramatical

Regina Maria Recktenwald consultora

Normalização bibliográfica Cristiane M. Teixeira Luvizetto CEP SENAI Lindolfo Collor

Produção gráfica CEP SENAI de Artes Gráficas Henrique d’Ávila Bertaso

SENAI – Departamento Regional do Rio Grande do Sul

Av. Assis Brasil, 8787

91140-001 – Porto Alegre, RS

Tel.: (51) 3347-8698 Fax: (51) 3347-

e-mail: unep@dr.rs.senai.br

SENAI – Instituição mantida e administrada pela Indústria

A reprodução total ou parcial desta publicação por quaisquer meios, seja eletrônico, mecânico, fotocópia de gravação ou outros, somente será permitida com prévia autorização, por escrito, deste Departamento Regional.

L 975 LUTZ, Aury da Silva. Tratamento Térmico. São Leopoldo, CEP SENAI Lindolfo Collor, 2004. 120 p. il.

1. Tratamento térmico I. Título CDU – 621.

HOMENAGEM

O Conselho Consultivo das Unidades Operacionais do SENAI-RS tem por objetivo

colaborar com o Departamento Regional e com a Direção da Unidade,

assessorando-os quanto à identificação das necessidades das comunidades nas

áreas de competência do SENAI e oferecendo-lhes apoio com vistas à constante

melhoria de desempenho da Unidade Operacional a que está vinculado. Os

benefícios resultantes desse apoio para a comunidade industrial e para as Unidades

do SENAI sofrem influência direta da atuação que o presidente do Conselho exerce

junto a seus conselheiros na condução do processo.

O Centro de Educação Profissional SENAI Lindolfo Collor, de São Leopoldo, RS,

teve a honra de contar com o Sr. Mauri da Silva Teixeira, industrial da Região, como

Presidente de seu Conselho Consultivo no período de 24 de agosto de 2000 a 16 de

março de 2003, que desempenhou a função com liderança e maestria. Infelizmente,

seu inesperado e prematuro passamento, ocorrido em 16 de março de 2003, privou

o Centro de seu agradável convívio e das sempre excelentes idéias, sugestões,

aconselhamentos e ensinamentos.

Visando perenizar o trabalho desenvolvido pelo Sr. Mauri no SENAI, prestamos-lhe,

postumamente, esta homenagem, em especial porque o presente fascículo é um dos

exemplos e uma forma material de suas incontáveis iniciativas e criatividade.

Muito obrigado, Sr. Mauri, por nos ter dado a oportunidade de desfrutar do convívio

com sua pessoa.

José Zortéa

Diretor Regional do SENAI-RS

SUMÁRIO

LISTA DE TABELAS...................................................

LISTA DE FIGURAS...................................................

INTRODUÇÃO........................................................

1 SEGURANÇA NO TRABALHO......................................... 1.1 PRINCÍPIOS BÁSICOS DE PREVENÇÃO DE INCÊNDIO................... 1.1.1 Química do fogo................................................. 1.1.2 Rompimento do triângulo do fogo.................................. 1.1.3 Ponto de fulgor.................................................. 1.1.4 Ponto de combustão.............................................. 1.1.5 Ponto de ignição................................................. 1.1.6 Transmissão de calor............................................. 1.1.7 Classes de incêndio.............................................. 1.1.8 Agentes extintores............................................... 1.1.9 Extintores e classes de incêndio.................................... 1.2 EQUIPAMENTOS DE PROTEÇÃO INDIVIDUAL.......................... 1.2.1 Características e classificação dos EPIs............................. 1.2.2 Guarda e conservação dos EPIs.................................... 1.2.3 Utilização adequada dos EPIs...................................... 1.2.4 Exigência legal para empresas e empregados.........................

2 TRATAMENTO TÉRMICO............................................. 2.1 HISTÓRICO....................................................... 2.2 DEFINIÇÃO.......................................................

3 FUNDAMENTOS DA METALOGRAFIA.................................. 3.1 ESTRUTURA CRISTALINA........................................... 3.2 FORMAÇÃO DOS GRÃOS, A MACROESTRUTURA....................... 3.2.1 Estudo da macroestrutura; a macrografia............................ 3.2.2 Modificação da macroestrutura pelos tratamentos mecânicos........... 3.2.3 Estudo da microestrutura; a micrografia.............................

4 ESTRUTURA E COMPOSIÇÃO DOS AÇOS............................... 4.1 ESTRUTURA CRISTALINA........................................... 4.2 CONSTITUINTES DO AÇO...........................................

11

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17 17 17 17 18 18 18 18 18 19 20 22 23 26 26 26

29 29 29

31 31 32 33 33 34

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5 DIAGRAMA FERRO-CARBONO........................................ 5.1 AQUECIMENTO DO AÇO............................................ 5.2 RESFRIAMENTO DO AÇO........................................... 5.3 DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FERRO-CARBONO.........................

6 TIPOS DE TRATAMENTOS TÉRMICOS.................................. 6.1 TÊMPERA........................................................ 6.1.1 Aquecimento.................................................... 6.1.2 Manutenção da temperatura....................................... 6.1.3 Resfriamento.................................................... 6.2 ESTRUTURA MARTENSÍTICA........................................ 6.3 REVENIMENTO DOS AÇOS.......................................... 6.4 TRATAMENTO ISOTÉRMICO......................................... 6.4.1 Austêmpera..................................................... 6.4.2 Martêmpera..................................................... 6.5 BENEFICIAMENTOS DOS AÇOS...................................... 6.5.1 Emprego........................................................ 6.6 TRATAMENTO TÉRMICO DE AÇOS LIGADOS........................... 6.6.1 Aço de baixo teor de ligas ( ≤≤≤≤ 5%)................................... 6.6.2 Aço de alto teor de liga ( ≤≤≤≤ 5%)...................................... 6.7 TENSÕES INTERNAS............................................... 6.7.1 Alívio de tensões................................................. 6.7.2 Normalização.................................................... 6.8 PROCESSOS DE RECOZIMENTO..................................... 6.8.1 Recozimento total ou pleno........................................ 6.8.2 Recozimento para alívio de tensões (recozimento subcrítico)........... 6.8.3 Recozimento para recristalização................................... 6.8.4 Recozimento de esferoidização..................................... 6.9 TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS................................... 6.9.1 Cementação..................................................... 6.9.2 Nitretação...................................................... 6.9.3 Boretação...................................................... 6.10 TRATAMENTO TÉRMICO A VÁCUO E DE NITRETAÇÃO A PLASMA........ 6.10.1 Têmpera a vácuo................................................ 6.10.2 Nitretação a plasma............................................. 6.11 TÊMPERA SUPERFICIAL........................................... 6.11.1 Têmpera por chama............................................. 6.11.2 Têmpera por indução............................................ 6.12 LIGAS.......................................................... 6.12.1 Ligas que comportam obrigatoriamente um tratamento térmico......... 6.12.2 Ligas que comportam tratamentos térmicos......................... 6.13 TRATAMENTO SUBZERO..........................................

7 MEIOS DE RESFRIAMENTO E CURVAS TTT............................. 7.1 FATORES QUE INFLUENCIAM NOS TRATAMENTOS TÉRMICOS........... 7.1.1 Velocidade de aquecimento........................................ 7.1.2 Temperatura de aquecimento...................................... 7.1.3 Tempo de permanência à temperatura (manutenção da temperatura)..... 7.1.4 Resfriamento.................................................... 7.2 CURVAS T.T.T. PARA RESFRIAMENTO CONTÍNUO......................

39 39 40 41

43 43 43 44 44 45 46 47 48 49 49 50 50 50 51 51 52 53 54 55 55 56 56 57 58 60 62 63 63 64 66 66 67 69 69 69 70

73 73 73 74 74 75 76

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Temperaturas para recozimento............................

Tabela 2 – Dureza conforme a profundidade de penetração...............

Tabela 3 – Materiais aplicados nas cementações.......................

Tabela 4 – Misturas de gases para nitretação..........................

Tabela 5 – Temperaturas de aquecimento e meios de resfriamento..........

Tabela 6 – Meio de resfriamento.....................................

Tabela 7 – Efeitos dos elementos de liga nos aços......................

Tabela 8 – Classificação ABNT dos aços-ligas..........................

Tabela 9 – Sistemas SAE e AISI de classificação dos aços...............

Tabela 10 – Fatores para elementos de liga............................

Tabela 11 – Alguns símbolos auxiliares na identificação dos aços...........

Tabela 12 – Pares termoelétricos....................................

Tabela 13 – Aplicações mais comuns das principais atmosferas controladas....

Tabela 14 – Ensaios mecânicos.....................................

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 − Triângulo do fogo........................................ Figura 2 − Rompimento do triângulo do fogo............................ Figura 3 − Incêndio classe A........................................ Figura 4 − Incêndio classe B........................................ Figura 5 – Incêndio classe C........................................ Figura 6 − Regra para extinção do incêndio............................. Figura 7 − Rompimento do triângulo do fogo − classe B................... Figura 8 – Rompimento do triângulo do fogo............................ Figura 9 – EPIs para a cabeça....................................... Figura 10 – EPIs para os membros superiores........................... Figura 11 – EPIs para o tronco...................................... Figura 12 – Proteção para as vias respiratórias.......................... Figura 13 − EPIs para os membros inferiores............................ Figura 14 − Cintos de segurança ...................................... Figura 15 − Têmpera............................................... Figura 16 − Célula unitária.......................................... Figura 17 − Rede cristalina.......................................... Figura 18 − Grãos................................................. Figura 19 – Constituintes do aço...................................... Figura 20 – Macrografia............................................ Figura 21 – Microestruturas......................................... Figura 22 – Rede hexagonal compacta................................ Figura 23 - Rede cúbica de face centrada.............................. Figura 24 – Rede cúbica de corpo centrado............................ Figura 25 – Solidificação dos metais................................... Figura 26 – Aço de baixo teor de C.................................... Figura 27 – Aço de médio teor de C................................... Figura 28 – Estrutura da ferrita....................................... Figura 29 – Estrutura da. cementita................................... Figura 30 – Mudança de fases no aquecimento do aço.................... Figura 31 – Mudança de fases no resfriamento do aço.................... Figura 32 – Martensita............................................. Figura 33 – Diagrama FeC.......................................... Figura 34 – Diagrama FeC – aquecimento.............................. Figura 35 – Diagrama de temperatura................................. Figura 36 – Estrutura martensítica.................................... Figura 37 – Efeito do carbono sobre a dureza...........................

Figura 38 – Revenimento dos aços................................... Figura 39 – Efeito da temperatura de revenido sobre a dureza.............. Figura 40 – Transformações da austenita............................... Figura 41 – Transformação da austenita em bainita...................... Figura 42 – Transformação da austenita em martensita................... Figura 43 – Beneficiamento......................................... Figura 44 – Granulação regular...................................... Figura 45 – Granulação irregular..................................... Figura 46 – Deformação nos grãos................................... Figura 47 – Temperatura crítica...................................... Figura 48 – Granulação antes e após a normalização..................... Figura 49 – Processos de conformação................................ Figura 50 – Variação das propriedades com a deformação a frio............ Figura 51 – Processos de recozimento................................ Figura 52 – Limites da granulação.................................... Figura 53 – Grãos antes e após tratamento............................. Figura 54 – Estrutura de esferoidização................................ Figura 55 – Camadas endurecidas.................................... Figura 56 – Preparação para cementação.............................. Figura 57 – Preparação para cementação líquida........................ Figura 58 – Forno para preaquecimento................................ Figura 59 – Diagrama de nitretação gasosa............................. Figura 60 – Diagrama de nitretação líquida............................. Figura 61 – Forno a vácuo.......................................... Figura 62 – Nitretação a plasma.......................... ............ Figura 63 – Têmpera por chama...................................... Figura 64 – Método progressivo..................................... Figura 65 – Método combinado...................................... Figura 66 – Bobinas de indução...................................... Figura 67 – Têmpera por indução..................................... Figura 68 – Tipos de tenazes........................................ Figura 69 – Velocidades de aquecimento............................... Figura 70 – Tempo de permanência.................................. Figura 71 – Diferentes meios de resfriamento........................... Figura 72 – Curvas de resfriamento do aço 43 Mn Cr 6................... Figura 73 – Pirômetro termoelétrico................................... Figura 74 – Pirômetro ótico.......................................... Figura 75 – Pirômetro de radiação.................................... Figura 76 – Estufa................................................ Figura 77 – Forno de câmara................................................ Figura 78 – Forno de câmara................................................ Figura 79 – Fornos com atmosfera........................................... Figura 80 – Forno de banho de sal.................................... Figura 81 – Forno de eletrodos.............................................. Figura 82 – Forno a vácuo..........................................

1 SEGURANÇA NO TRABALHO

1.1 PRINCÍPIOS BÁSICOS DE PREVENÇÃO DE INCÊNDIO

1.1.1 Química do fogo

Para que haja combustão ou queima devem estar presentes e devem atuar três

elementos. O primeiro é o combustível, aquilo que vai queimar e transformar-se. O

segundo é o calor, que dá início à combustão, que faz começar o fogo. O terceiro é

o oxigênio, gás existente no ar, respirável, que é chamado de comburente. Esses

três elementos são denominados elementos essenciais do fogo ; significa que, se

faltar um deles, não haverá fogo.

Como são três os elementos essenciais do fogo, se forem representados por três

pontos e se estiverem ligados tem-se o chamado triângulo do fogo.

1.1.2 Rompimento do triângulo do fogo

O rompimento do triângulo do fogo, isto é, a extinção do fogo, é provocada por uma

das três práticas:

• retirada do material combustível
• resfriamento
• abafamento.

Fonte: CEZAR, Cleomar Guaragni et al. Prevenção de Acidentes para Componentes de CIPA. Figura 1 − Triângulo do fogo

1.1.7.1 Classe A – Fogo em material combustível sólido, como papel, madeira, tecidos,

fibras etc.

1.1.7.2 Classe B – Fogo em gases e líquidos inflamáveis, como óleo, gasolina, gás liquefeito de petróleo, thinner, gás de rua etc.

Nota-se que os materiais da classe A, após a queima, deixam cinzas e brasas, e os

produtos da classe B não deixam brasas e queimam na superfície.

1.1.7.3 Classe C – Fogo em equipamentos elétricos energizados, ou seja, ligados.

1.1.7.4 Classe D – Fogo em metais pirofóricos, como magnésio, potássio, alumínio

em pó etc.

1.1.8 Agentes extintores

Agentes extintores são determinadas substâncias sólidas, líquidas ou gasosas

utilizadas na extinção do incêndio – quer por abafamento, quer por retirada, ou,

ainda, pela utilização conjunta desses dois processos.

Fonte: CEZAR, Cleomar Guaragni et al. Prevenção de Acidentes para Componentes de CIPA. Figura 5 – Incêndio classe C

Fonte: CEZAR, Cleomar Guaragni et al. Prevenção de Acidentes para Componentes de CIPA. Figura 3 − Incêndio classe A

Fonte: CEZAR, Cleomar Guaragni et al. Prevenção de Acidentes para Componentes de CIPA. Figura 4 − Incêndio classe B

Os agentes extintores devem ser empregados conforme a classe de incêndio, pois,

em alguns casos, podem ocorrer sérias conseqüências se empregados

inadequadamente. Os principais agentes extintores são:

• água – jato pleno ou compacto, chuveiro, neblina e vapor;
• areia – seca
• gases inertes – CO 2 , nitrogênio etc.;
• líquidos voláteis – tetracloreto de carbono, clorobromometano, brometo de metila;
• espuma – química e mecânica;
• pós químicos – talco, sulfato de alumínio, grafite, bicarbonato de sódio;
• líquidos umectantes.

Existem aparelhos extintores dos mais variados tipos, tamanhos, modelos e

processos de funcionamento. Quanto ao tamanho, os extintores podem ser portáteis

• até 10 litros para espuma, carga líquida e água pressurizada e até 6 kg para CO 2 e

até 10 kg para pó químico – e rebocáveis (carretas), para tamanhos maiores.

Quanto ao processo de funcionamento, os aparelhos extintores são de duas

espécies: de inversão – os de espuma e carga líquida – e de válvula – os de gás

carbônico, pó químico seco e água pressurizada. As válvulas são encontradas nos

mais variados tipos e modelos.

Os extintores ainda diferem em pressurizados e não-pressurizados. Os primeiros

têm em seu interior a pressão necessária a seu funcionamento; os não-

pressurizados são os que precisam ser dotados de um recipiente anexo, contendo

um gás inerte, a fim de promover a expulsão de sua carga líquida, tendo pressão

desenvolvida pela própria reação química das substâncias que integram sua carga.

Os extintores mais usuais são os de

• espuma
• pó químico pressurizado
• pó químico com pressão injetada
• gás carbônico (CO 2 ) com difusor acoplado ao corpo
• gás carbônico (CO 2 ) com difusor acoplado à mangueira
• água pressurizada
• água com pressão injetada.

1.1.9 Extintores e classes de incêndio

Os aparelhos usados para extinção têm seu uso relacionado às classes de incêndio,

de acordo com os agentes extintores de suas cargas.