O que é têmpera e como funciona?

A têmpera desempenha um papel crucial no tratamento térmico, pois pode aumentar a resistência e a dureza do aço. Se a têmpera for combinada com o revenido a diferentes temperaturas, diversas combinações de resistência, plasticidade e tenacidade podem ser obtidas para várias aplicações.

Visão geral do processo de têmpera

O resfriamento rápido é um tratamento térmico Processo que envolve o aquecimento do aço a uma temperatura acima do ponto crítico Ac3 (para aço hipoeutetóide) ou Ac1 (para aço hipereutetóide) e a sua manutenção nessa temperatura por um período específico para alcançar a austenitização total ou parcial. Posteriormente, o material é resfriado a uma taxa superior à velocidade crítica de têmpera para transformar a austenita super-resfriada em microestruturas martensíticas ou bainíticas inferiores.

O objetivo do resfriamento rápido é facilitar a transformação da austenita super-resfriada em martensita ou bainita, obtendo-se assim microestruturas específicas. Quando combinado com temperamento Em diversas temperaturas, esse tratamento térmico aumenta a resistência, a dureza, a resistência ao desgaste, a resistência à fadiga e a tenacidade do aço para atender aos requisitos operacionais de componentes mecânicos. O resfriamento rápido também pode ser usado para atender a requisitos físicos ou químicos específicos, como ferromagnetismo ou resistência à corrosão em certos tipos de aço.

Princípios de têmpera

O princípio fundamental do processo de têmpera é aquecer rapidamente uma peça metálica a uma temperatura específica, mantê-la nessa temperatura para transformar a estrutura interna em austenita e, em seguida, imergi-la rapidamente em um meio de têmpera. Esse resfriamento rápido produz fases endurecidas, como martensita ou bainita, melhorando assim a dureza, a resistência e a resistência ao desgaste do metal.

1. Austenitização

Condição de temperatura

O aço é aquecido a uma temperatura acima do ponto crítico, seja para aço hipoeutetóide ou hipereutetóide. Dentro dessa faixa de temperatura, a estrutura cristalina se altera; a ferrita e a cementita presentes à temperatura ambiente transformam-se gradualmente em austenita. A austenita é uma solução sólida intersticial de carbono em γ-Fe com estrutura cúbica de faces centradas, caracterizada por alta solubilidade de carbono, baixa resistência e alta plasticidade.

Preservação do calor

O objetivo de manter a temperatura é homogeneizar a temperatura interna da peça, garantindo que todo o componente esteja totalmente austenitizado para prepará-lo para o resfriamento rápido subsequente e a transformação estrutural.

2. Resfriamento e transformação microestrutural

Taxa de refrigeração

O resfriamento é realizado a uma taxa estritamente superior à velocidade crítica de resfriamento. A velocidade crítica de resfriamento é definida como a taxa mínima de resfriamento necessária para que o aço adquira uma estrutura martensítica durante a têmpera. Se a taxa de resfriamento for inferior a essa velocidade crítica, o aço pode formar perlita ou bainita durante o processo de resfriamento, não atingindo a dureza e a resistência desejadas.

Processo de transformação

Durante o resfriamento rápido, a estrutura da austenita torna-se instável e sofre uma mudança de fase. A austenita super-resfriada transforma-se em fases endurecidas como a martensita ou a bainita. A martensita é uma solução sólida supersaturada de carbono em α-Fe com estrutura tetragonal de corpo centrado, caracterizada por dureza e resistência muito elevadas.

Melhoria de performance

As estruturas martensíticas ou bainíticas obtidas por têmpera aumentam significativamente a dureza, a resistência e a resistência ao desgaste da peça metálica. Por exemplo, peças de aço temperado Aumentaram drasticamente a dureza da superfície, proporcionando uma resistência superior ao desgaste e à deformação.

Meio de têmpera

Conforme ilustrado pelas curvas de Transformação Tempo-Temperatura (TTT), diferentes taxas de têmpera produzem resultados diferentes. Metais distintos suportam diferentes velocidades de têmpera sem trincar. Embora metais diferentes exijam abordagens específicas, a têmpera é predominantemente uma função da velocidade de resfriamento.

De modo geral, o principal método para controlar a taxa de resfriamento é a seleção do meio de têmpera. Embora a temperatura do meio possa ser alterada teoricamente, seu calor específico e ponto de ebulição são os fatores decisivos na determinação das taxas de resfriamento. Os meios de têmpera mais comuns incluem água, salmoura (água salgada), óleo, nitrogênio líquido e ar, cada um com vantagens e desvantagens distintas.

Água

A água é um dos meios mais comuns devido à sua disponibilidade e capacidade de induzir um resfriamento rápido. Ela não é inflamável e possui alto calor específico e calor latente de vaporização. No entanto, a ebulição cria bolhas que reduzem a condutividade térmica (efeito Leidenfrost), o que acaba por diminuir a velocidade de resfriamento.

Salmoura

A salmoura é simplesmente água com adição de sal. O sal eleva o ponto de ebulição da água, reduzindo a formação de bolhas durante a fervura e acelerando o resfriamento. Uma desvantagem é que o sal pode corroer ou reagir quimicamente com certas ligas metálicas.

Em relação às lendas de têmpera de espadas em sangue: como o sangue contém eletrólitos dissolvidos (sais), ele funciona de forma semelhante a uma salmoura fraca no que diz respeito à têmpera. O sangue também contém compostos orgânicos que podem coagular e aderir à lâmina, potencialmente reduzindo o efeito Leidenfrost. As moléculas de carbono no sangue também podem reagir formando pequenos carbonetos na superfície.

AZEITE E AZEITE EVO

O óleo é um agente de têmpera eficaz em velocidade média que ajuda a mitigar o trincamento. Uma desvantagem significativa é o risco de incêndio apresentado pela superfície do óleo, exigindo extrema cautela durante o processo.

Nitrogenio liquido

O resfriamento com nitrogênio líquido é inicialmente mais lento do que o resfriamento com água, pois o nitrogênio se gasifica instantaneamente (criando uma camada com baixa condutividade térmica), além de possuir menor capacidade térmica e calor de vaporização. No entanto, o nitrogênio líquido acaba por levar o material a uma temperatura final muito mais baixa, o que é essencial para que certas ligas (como alguns aços inoxidáveis) precipitem martensita.

ar

O resfriamento ao ar é normalmente obtido soprando ar frio rapidamente sobre a amostra. É comum em ambientes industriais devido ao baixo custo e à capacidade de controlar as taxas de resfriamento em diferentes seções de um produto ajustando a velocidade do ar. Embora seja geralmente o meio mais lento, algumas ligas podem atingir uma microestrutura temperada mesmo quando resfriadas em ar parado.

Etapas de resfriamento

A liga é aquecida a uma faixa de 30 a 50 °C acima de sua temperatura crítica. A exposição prolongada a essa temperatura deve ser evitada para prevenir o crescimento de grãos.

Para ligas sensíveis à oxidação, o aquecimento deve ser realizado em vácuo. Alternativamente, a liga pode ser encapsulada em um tubo de quartzo previamente evacuado ou preenchido com um gás inerte como o argônio.

A liga requer resfriamento rápido, que é controlado principalmente pelo meio de têmpera. A salmoura é normalmente o meio prático mais rápido, enquanto o nitrogênio líquido é relativamente lento em termos de taxa de resfriamento.

Se a liga esfriar muito rápido, pode rachar; se esfriar muito devagar, as fases metaestáveis ​​podem não se formar. A velocidade ideal de têmpera deve ser determinada usando um gráfico de Tempo-Temperatura-Transformação (TTT).