Defeitos comuns no tratamento térmico e suas prevenções

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A dureza insatisfatória: existe uma relação empírica entre a dureza dos materiais metálicos e sua resistência à tração em estado de repouso, bem como sua resistência à fadiga. Além disso, há também uma certa relação entre a dureza e as propriedades relacionadas aos processos de usinagem, como a capacidade de conformação a frio, a facilidade de usinagem e as propriedades de soldagem do metal； Os testes de dureza não danificam a peça, são simples de realizar e fornecem dados claros. Por isso, são amplamente utilizados como o principal indicador de qualidade para peças submetidas a tratamento térmico. Em muitos casos, eles representam até mesmo o único requisito técnico exigido. A dureza insuficiente é um dos defeitos mais comuns no tratamento térmico. Os principais fatores responsáveis por isso são a falta de dureza, a velocidade insuficiente de resfriamento durante o processo de têmpera, a descarbonatação da superfície, a capacidade insuficiente do aço de ser temperado, a presença excessiva de austenita residual após a têmpera e o tempo insuficiente para o processo de revenido. O fenômeno em que a dureza de uma peça após o tratamento de têmpera é baixa em determinadas áreas é chamado de ponto mole. A estrutura dos tecidos nas áreas de ponto mole é, em sua maioria, uma mistura de martensita e trostita distribuída ao longo das fronteiras dos grãos de austenita originais. Pontos macios ou irregularidades na dureza são geralmente causados por um aquecimento desigual durante o processo de têmpera, ou por um resfriamento desigual após a têmpera. A temperatura irregular do forno durante o aquecimento, bem como a temperatura de aquecimento insuficiente ou o tempo de manutenção da temperatura inadequado, são as principais causas do aquecimento irregular. A resfriamento irregular é causado principalmente pela presença de bolhas do meio de resfriamento na superfície da peça durante o processo de revenimento, pela contaminação desse meio (por exemplo, presença de gotas de óleo na água) ou pelo resfriamento insuficiente do meio de resfriamento. Além disso, a estrutura do aço é excessivamente grossa, com uma séria desigualdade na distribuição dos componentes químicos. Grandes quantidades de carbonetos ou de ferrita livre também causam uma têmpera irregular, resultando em pontos fracos no material. Ponto fraco: O objetivo do aquecimento para têmpera é permitir que a peça realize a transformação estrutural durante o processo de têmpera. Para isso, é necessário aquecer até a temperatura adequada e manter esse calor por tempo suficiente. A temperatura de aquecimento insuficiente e o tempo de retenção térmica inadequado impedem que a estrutura original de perlita se transforme completamente em austênio. Além disso, a composição do austênio formado não é uniforme. Como resultado, não se obtém uma estrutura totalmente martensítica após o tratamento de têmpera, o que faz com que surjam pontos macios na peça após o processo. 1- Martensita de agulhas finas 2- Tôrtita após revenimento 3- Perlitismo. Quando a agitação do meio de revenimento não é suficiente, ou quando a peça se move insuficientemente dentro desse meio, ou ainda quando a peça entra no meio na direção errada, isso acaba atrasando a ruptura da camada de vapor na superfície da peça. Isso faz com que a velocidade de resfriamento nessa área diminua, resultando na formação de produtos de decomposição em altas temperaturas, o que gera pontos macios ou uma redução local da dureza. A camada de vapor d’água é mais estável do que a solução salina; portanto, os pontos macios formam-se mais facilmente nas peças submetidas a resfriamento em água. Quanto maior a temperatura da água e das soluções aquosas, mais fácil é a ocorrência de pontos moles. Aços carbono com baixa capacidade de têmpera tendem a apresentar pontos macios quando a seção transversal da peça é grande. A superfície da peça não estar limpa, caso haja ferrugem, carbono negro, etc., também pode causar uma menor dureza após o tratamento de têmpera. Dureza insuficiente: o aquecimento insuficiente costuma causar dureza insuficiente nos componentes submetidos ao processo de têmpera. Mas o resfriamento inadequado é uma causa comum de dureza insuficiente na peça. O tempo de resfriamento prévio, entre a saída da peça do forno e o processo de têmpera, ser excessivo; a escolha inadequada do meio de resfriamento ou um controle inadequado da temperatura desse meio, levando a uma capacidade de resfriamento insuficiente; a presença de camadas de oxidação ou sais na superfície da peça; e a temperatura elevada da peça ao ser retirada do meio de têmpera, tudo isso pode causar a decomposição do austenita sobresfriada na região de transformação em perlita da curva C. Isso resulta na formação de estruturas não martensíticas, como sorbite e trostite, o que faz com que a dureza da peça seja insuficiente. A presença de uma grande quantidade de austenita residual na estrutura após o tratamento de têmpera é uma das principais causas da baixa dureza das peças submetidas a esse processo. A quantidade de austenita residual está relacionada à composição química do aço. Quando o teor de carbono é superior a 0,5%–0,6%, é possível observar claramente a presença de austenita residual na estrutura após o tratamento de têmpera. À medida que o teor de carbono aumenta, a quantidade de austenita residual também aumenta drasticamente. Quando a fração em massa de carbono atinge 1,4%, a quantidade de austenita residual (em termos de fração volumétrica) chega a 30%. Todos os elementos de liga que se dissolvem no austenita por meio de substituição causam um aumento na quantidade de austenita residual. Quando a quantidade de austenita residual é pequena, não há impacto significativo na dureza. Porém, quando a quantidade de austenita residual é grande, isso leva a uma redução na dureza. Uma porcentagem de 20% de austenita residual faz com que a dureza após o tratamento de têmpera diminua em aproximadamente 6,5 HRC. Os pontos fracos e a dureza insuficiente nos componentes submetidos a têmpera de alta frequência incluem dois tipos de pontos fracos: os pontos fracos remanescentes na camada superficial, onde a área não foi totalmente endurecida, e os pontos fracos relacionados à irregularidade na profundidade da camada endurecida. Esses defeitos de dureza são causados por fatores como a escolha inadequada do material, a estrutura original deficiente, parâmetros elétricos incorretos durante o tratamento térmico de resfriamento rápido, além de problemas com os indutores e dispositivos de resfriamento. A têmpera de alta frequência é frequentemente utilizada em aços estruturais de carbono médio e em aços estruturais de baixo carbono com ligeira adição de ligantes. Como o aquecimento por meio da têmpera de alta frequência ocorre de maneira rápida, o carbono presente no austenito não tem tempo suficiente para se distribuir uniformemente por difusão. Portanto, nos aços que contêm elementos capazes de formar carbonetos, como Cr, Mo, W e V, devido ao ponto de transformação mais elevado, é fácil que surjam pontos fracos e uma distribuição irregular da dureza durante o processo de têmpera por indução de alta frequência. Ao escolher o aço adequado para essa finalidade, deve-se levar em consideração que a concentração desses elementos não deve exceder um certo limite. O tipo, a forma, o tamanho e a distribuição dos carbonetos no aço têm um impacto significativo na qualidade das peças submetidas a têmpera de alta frequência. Quando o aço contém carbonetos em forma de rede, ou quando o tamanho dos carbonetos é excessivo e sua distribuição é irregular, podem surgir defeitos como dureza irregular e baixa dureza. Portanto, a têmpera de alta frequência é muito influenciada pelo tratamento térmico prévio; a melhor estrutura inicial para a têmpera de alta frequência é o sorbíteto obtido após tratamento de têmpera. Quando o campo magnético de indução de alta frequência não é uniforme, isso também pode causar uma dureza insuficiente no material após o tratamento de têmpera. Além disso, um ângulo de pulverização inadequado, tamanhos e números incorretos dos orifícios de pulverização, ou a obstrução desses orifícios, geralmente levam a uma dureza insuficiente no material submetido ao tratamento de têmpera por alta frequência, ou à formação de pontos macios no mesmo. A dureza insuficiente e a presença de áreas macias nas peças submetidas ao processo de carbonetação são causadas, em sua maioria, por carbonetação insuficiente, descarbonatação durante o tratamento térmico, temperatura de revenimento baixa demais, velocidade insuficiente de resfriamento, quantidade excessiva de austenita residual na superfície, revenimento excessivo, superfície da peça não limpa, carbonetação irregular ou resfriamento irregular. As propriedades mecânicas das ligas de metais não ferrosos não atendem aos padrões exigidos. Os metais não ferrosos mais utilizados na indústria são o alumínio, o cobre, o magnésio, o titânio e suas ligas. Os princípios de tratamento térmico dos metais não ferrosos são os mesmos que os do aço, mas eles possuem suas próprias características. Por exemplo, a transformação eutéctica desempenha um papel importante no tratamento térmico do aço, mas é raramente observada em metais não ferrosos ； A transformação em martensita é o principal meio de endurecimento dos materiais de aço. No entanto, com exceção de algumas ligas de cobre e titânio, os outros metais não ferrosos geralmente não podem ser endurecidos por meio dessa transformação. Os processos de tratamento térmico mais utilizados para metais não ferrosos são o revenimento de homogeneização, o revenimento de recristalização, o revenimento desestressante, o tratamento por solubilização e o tratamento de envelhecimento. O tratamento por solubilização em tempo é o processo de endurecimento por tratamento térmico mais utilizado e importante para metais não ferrosos. No tratamento térmico de metais não ferrosos, deve-se prestar atenção especial aos seguintes pontos: os metais não ferrosos são reativos e exigem condições específicas durante o processo de aquecimento. Por exemplo, o ambiente de aquecimento das ligas de titânio deve ser, em geral, um vácuo ou uma atmosfera de microoxidação ； Para evitar a oxidação, as ligas de magnésio são frequentemente aquecidas em uma atmosfera protegida por dióxido de enxofre ou dióxido de carbono ； Para evitar a fragilidade por hidrogênio, o cobre púrpura precisa ser submetido a tratamento térmico em uma atmosfera neutra ou levemente oxidante. Para se obter o máximo efeito de solubilização, a temperatura de solubilização de muitas ligas de metais não ferrosos está próxima à temperatura da linha de fase sólida. Para evitar superaquecimento e queima excessiva, é necessário controlar rigorosamente a temperatura do forno e o tempo de aquecimento e manutenção da temperatura. Superaquecimento e queima excessiva: fenômeno em que, durante o aquecimento para tratamento térmico de metais ou ligas, a temperatura fica tão alta que os grãos crescem demais, fazendo com que as propriedades do material diminuam significativamente. Isso é chamado de superaquecimento ； Quando a temperatura de aquecimento se aproxima da linha de fase sólida, o fenômeno de oxidação das fronteiras entre os cristais e o início do derretimento parcial são denominados sobreaquecimento. Superaquecimento: As condições de superaquecimento incluem grãos grandes em aços estruturais, marteíta em tamanho excessivo, quantidade excessiva de austenita residual, organização de Weiß, carbonetos em rede em aços rápidos, organização eutéctica (organização de ledeburita), fraturas em formato de naftaleno, excesso de ferrita em aços inoxidáveis martensíticos, deszinagem de ligas de latão que causa a formação de uma superfície cinza-esbranquiçada, além de uma superfície irregular após o tratamento com ácido. A estrutura típica de superaquecimento é mostrada na Figura 2. De acordo com o grau de dificuldade em eliminar as áreas superaquecidas por meio dos processos normais de tratamento térmico, elas podem ser divididas em duas categorias: superaquecimento estável e superaquecimento instável. Geralmente, as áreas superaquecidas podem ser eliminadas por meio de tratamentos térmicos normais; essas são as chamadas áreas de superaquecimento instável. A estrutura superaquecida estável refere-se à estrutura superaquecida que não pode ser completamente eliminada por meio de normalização, revenimento e têmpera convencionais. Uma característica importante do superaquecimento é o aumento do tamanho dos grãos cristalinos. Isso reduz a resistência à flexão, a plasticidade, a tenacidade ao impacto e a resistência à fadiga do aço, além de elevar a temperatura de transição para a fragilidade do mesmo. Outra característica importante do superaquecimento é o aumento do tamanho dos grãos de martensita resultante do tratamento de têmpera. Isso reduz a tenacidade ao impacto e a resistência ao desgaste, além de aumentar a tendência à deformação e às rachaduras durante o processo de têmpera. Entre os defeitos causados pelo superaquecimento no aço, estão ainda a organização de Widmanstätten, fraturas em formato de naphthaleno e fraturas em formato de pedra. Tudo isso não só reduz as propriedades mecânicas do aço, mas também aumenta a probabilidade de ocorrência de rachaduras durante o tratamento de têmpera. Para evitar o superaquecimento, é necessário definir e implementar corretamente um processo de tratamento térmico adequado. É preciso controlar rigorosamente a temperatura do forno e o tempo de permanência no mesmo. Geralmente, as estruturas resultantes do superaquecimento podem ser eliminadas por meio de vários processos de revenido ou normalização. No entanto, em casos de superaquecimento mais grave, como a formação de fraturas em formato de pedra, não é possível eliminar essas estruturas apenas por meio de tratamento térmico. Nesses casos, é necessário utilizar uma combinação de deformação a altas temperaturas e revenido para resolver o problema. Superaquecimento: Os tecidos afetados pelo superaquecimento incluem fusão local nas fronteiras entre os grãos, cavidades nas fibras, superfície da liga de alumínio que fica escura e com bolhas, além de uma superfície cinza e sem brilho nos pontos de ruptura. Nas ligas de magnésio, ocorrem tumores oxidativos na superfície. O tecido superaquecido faz com que as propriedades do material se deteriorem drasticamente, além de facilitar a ocorrência de trincas durante o tratamento térmico. Portanto, o superaquecimento é um defeito inaceitável no processo de tratamento térmico. Uma vez que ocorra superaquecimento, as peças valiosas só podem ser descartadas. Assim, é necessário evitar rigorosamente o superaquecimento durante o processo de tratamento térmico. O grau de sferoidização não é satisfatório. Automóveis, tratores e outros tipos de máquinas utilizam em grande quantidade peças padrão e parafusos de fixação. As peças padrão como eixos, pinos e hastes são, na maioria dos casos, fabricadas por meio de tornos automáticos. Já os parafusos, porcas e rebites são, em sua maior parte, produzidos por meio de processos de prensagem a frio. Para aumentar a produtividade e adaptar-se aos processos de usinagem automática e prensagem a frio, o tratamento térmico preliminar do aço deve ser feito por meio de revenimento ou revenimento sferoidizante. É necessário controlar o grau de sferoidização. O processamento de torneamento automático exige que o aço tenha boas propriedades de torneabilidade; sua plasticidade não deve ser muito alta, caso contrário, é fácil que ocorra “aderência à ferramenta”, e as rebarbas continuam a se formar. Espera-se que a estrutura do aço seja de perlita em forma de lâminas ； Já o processamento por prensagem a frio exige que o aço tenha boas propriedades para essa operação, ou seja, que seja plástico o suficiente para não rachar durante o processo. Além disso, espera-se que a estrutura microscópica do aço seja composta por perlita esférica. Para isso, existe a norma da indústria JB/T5074-91 “Níveis de grau de sferoidização de aços com baixo e médio teor de carbono”, que serve para avaliar o grau de sferoidização. De acordo com a classificação do grau de esfericidade dos carbonetos, o grau 1 corresponde a uma esfericidade de 0, ou seja, o perlita está completamente em forma de lâminas. Já o grau 6 corresponde a uma esfericidade de 100%, ou seja, os carbonetos estão completamente esferificados. O aço de carbono médio utilizado para processamento por prensagem a frio geralmente exige graus de 4 a 6, enquanto o aço de baixo e médio teor de carbono utilizado em máquinas automáticas geralmente requer graus de 1 a 3. Um tratamento térmico preliminar inadequado para aços com baixo e médio teor de carbono afeta negativamente suas propriedades de prensagem a frio e de corte automático. O nível de sferoidização influencia as propriedades de prensagem a frio, conforme mostrado na Tabela 7. Pode-se observar que, nos níveis de sferoidização 1 a 3, ocorrem rachaduras durante a prensagem a frio, enquanto nos níveis 4 a 6 não há rachaduras. Portanto, para fins de prensagem a frio, é necessário que o grau de sferoidização esteja entre 4 e 6 para que o material seja considerado adequado. A prática da produção em larga escala mostra que, quando a taxa de sferoidização das esferas de aço utilizadas no processamento por torneamento automatizado é mantida entre 1 e 3 níveis, a rugosidade da superfície das peças fica adequada, o desgaste da serra circular é normal e a produtividade é alta ； Se a taxa de esfericidade ultrapassar o nível 3, é difícil realizar o processamento com máquinas automatizadas.