Tratamentos de Superfície do Aço

Tratamentos de Superfície

• Em alguns casos, peças mecânicas precisam de alta resistência ao desgaste e capacidade de suportar torções ou flexões.
• O endurecimento por têmpera aumenta a dureza e resistência do aço, mas reduz a ductilidade e tenacidade, além de gerar tensões internas.
• Métodos para endurecer apenas a superfície do aço, mantendo o núcleo dúctil e tenaz, são os tratamentos superficiais.
• Há dois tipos principais de tratamentos superficiais, baseados no tipo de alteração superficial induzida: com ou sem alteração da composição química.

Tratamentos de Alteração da Superfície (Aço)

Sem Alteração da Composição Química

• Têmpera superficial: Aplicação de calor localizado seguida de arrefecimento rápido para endurecer a superfície sem afetar o núcleo.
• Tratamentos mecânicos:
  • Ganalhagem (Shot Peening e Laser Peening): Processo de impacto controlado (microesferas metálicas ou impulsos laser) para induzir tensões residuais compressivas e aumentar a resistência à fadiga.
  • Deep Rolling: Técnica que utiliza um rolo de alta pressão para induzir tensões compressivas, melhorando a resistência à fadiga e ao desgaste.

Com Alteração da Composição Química

• Tratamentos termoquímicos: A composição química superficial do aço é modificada pela difusão de elementos como carbono, nitrogênio ou boro para melhorar a dureza, resistência ao desgaste e à fadiga, sem comprometer a tenacidade do núcleo.
  • Cementação: aumenta a dureza superficial do aço ao enriquecer a camada externa com carbono.
  • Nitruração: Adição de azoto à superfície do aço para aumentar sua dureza e resistência ao desgaste.
  • Carbonitretação: Combinação de cementação e nitretação para maior dureza superficial e resistência ao desgaste.
• Revestimentos (Galvanização, Cromagem, Niquelação): aplicação de camadas protetoras para melhorar a resistência à corrosão e ao desgaste.

Têmpera Superficial

• Processo metalúrgico para aumentar a dureza e a resistência ao desgaste da superfície de peças de aço, mantendo o núcleo com alta tenacidade e ductilidade.
• Envolve aquecimento rápido da superfície do aço até à temperatura de austenitização, seguido de arrefecimento brusco.
• Pode ser realizada por:
  • Chama: Utilização de uma chama direta (maçarico) para aquecer seletivamente a superfície.
  • Indução: Utilização de um campo eletromagnético alternado para gerar correntes induzidas na superfície, aquecendo-a rapidamente.
• Após o aquecimento, a peça é arrefecida rapidamente, geralmente em água ou óleo, transformando a austenite em martensite na camada superficial.
• Pode gerar tensões internas elevadas e fragilidade aumentada, necessitando de um tratamento de revenido subsequente (aquecimento a uma temperatura inferior à da têmpera e arrefecimento lento).
• A espessura da camada endurecida depende da temperatura, tempo de aquecimento e das propriedades específicas do aço.
• Aplicações: engrenagens, eixos e ferramentas de corte, onde uma superfície dura e resistente ao desgaste é essencial para o desempenho e durabilidade.

Têmpera por Indução

• A peça é submetida a um campo eletromagnético alternado gerado por uma bobina de indução.
• Este campo induz correntes elétricas na superfície do metal, conhecidas como correntes de Foucault, que aquecem rapidamente a camada superficial até à temperatura de austenitização (entre 800°C e 1000°C).
• A profundidade da camada endurecida pode ser controlada ajustando parâmetros como a frequência do campo eletromagnético, a potência aplicada e o tempo de exposição.
• Oferece vantagens significativas, como aquecimento localizado, tempos de ciclo reduzidos e menor distorção da peça em comparação com a têmpera tradicional.

Têmpera por Chama

• A superfície da peça é aquecida diretamente por uma chama proveniente de um maçarico ou equipamento similar.
• O aquecimento rápido eleva a temperatura superficial até a faixa de austenitização (geralmente entre 800°C e 1000°C), transformando a estrutura cristalina do aço em austenite.
• Vantagens:
  • Simplicidade e custo: Método relativamente simples e econômico, não exigindo equipamentos complexos.
  • Flexibilidade: Permite o tratamento localizado de áreas específicas da peça, ideal para componentes com geometria complexa ou que requerem endurecimento seletivo.

Tratamentos Mecânicos

• Utilização de métodos físicos para alterar a morfologia ou as características superficiais sem modificar significativamente a composição química do material.
• Incluem processos de trabalho a frio (deformações elásticas e plásticas) que resultam em superfícies endurecidas com tensões residuais.
• Aumentam significativamente a resistência da superfície contra a iniciação e propagação de fissuras, à fadiga por corrosão e fadiga por fricção.
• Principais tratamentos:
  • Granalhagem (Shot peening)
  • Granalhagem por laser (Laser peening)
  • Deep Rolling
  • Trefilagem (escovagem): utiliza escovas abrasivas ou ferramentas específicas para criar linhas ou padrões na superfície metálica.
  • Polimento mecânico: visa obter uma superfície lisa e brilhante através da remoção de irregularidades microscópicas.

Granalhagem (Shot Peening ou Blasting)

• Pequenas esferas bombardeiam a superfície de uma peça, atuando como minúsculos martelos de percussão que deformam a superfície, criando pequenas cavidades.
• Aumenta a resistência à fadiga, induzindo tensões residuais de compressão na superfície, o que aumenta a resistência a fissuras e prolonga a vida útil da peça.
• Utilizado para limpar, reforçar ou preparar superfícies para processos subsequentes, como pintura ou revestimento.
• Amplamente utilizada em setores como construção, indústria automotiva, fundição, mineração e agricultura, sendo aplicada em peças de metal, cerâmica e vidro.
• Também empregada para uniformizar o acabamento de estruturas de aço inoxidável após a moldagem e para eliminar calamina formada em juntas de solda.
• É o método mais econômico e prático de garantir tensões compressivas residuais na superfície de uma peça.

Granalhagem por Laser (Laser Peening)

• Utiliza pulsos de laser de alta intensidade (Laser Shock Peening - LSP) para induzir tensões residuais de compressão na superfície de materiais metálicos.
• Etapas principais:
  • Aplicação de revestimento absorvente para proteger contra danos térmicos e maximizar a absorção de energia do laser.
  • Irradiação com pulsos de laser de alta intensidade e curta duração, gerando um plasma que se expande rapidamente, criando uma onda de choque que penetra no material.
  • A onda de choque resultante causa deformação plástica na superfície, introduzindo tensões residuais de compressão que aumentam a resistência à iniciação e propagação de fissuras.
• Vantagens:
  • Profundidade de tratamento: O LSP pode induzir tensões de compressão a profundidades maiores em comparação com o shot peening.
  • Precisão e controle: A tecnologia laser permite controle preciso dos parâmetros do processo, possibilitando tratamentos seletivos e consistentes.
  • Minimização de danos superficiais: Devido à ausência de contato físico direto e ao controle dos parâmetros, o LSP reduz o risco de danos superficiais indesejados.

Deep Rolling

• Técnica que utiliza um rolo pressionado contra a superfície do componente com uma força predefinida, gerando tensões de compressão.
• Deslocamento sobre a superfície causa deformação plástica na camada superficial, resultando em.
  • Geração de tensões residuais compressivas: A deformação plástica induz tensões residuais de compressão na zona superficial.
  • Encruamento: Aumento da dureza da microestrutura superficial, elevando a dureza da superfície e a resistência ao desgaste.
  • Suavização da superfície: Redução da rugosidade superficial ao eliminar microentalhes e rebarbas, resultando em uma superfície mais lisa e polida.

Cementação

• Tratamento termoquímico para introduzir carbono na superfície de um aço por difusão, visando aumentar a dureza superficial após a têmpera.
• A cementação e a difusão ocorrem em fase sólida.
• O material é aquecido em uma atmosfera rica em carbono, geralmente entre 900°C e 1040°C.
• A camada cementada endurecida forma-se na superfície do componente.

Nitruração

• Tratamento termoquímico no qual o azoto é difundido na superfície de um metal para criar uma camada endurecida.
• A temperatura máxima do tratamento é de cerca de 550ºC
• Usada em aços de baixo carbono e baixa liga, aços de médio e alto carbono, titânio, alumínio e molibdênio.
• Métodos principais:
  • Nitruraçao a gás: utiliza amônia (NH3) como fonte de azoto. A amônia dissocia-se ao entrar em contato com a superfície aquecida da peça, libertando azoto que difunde no material, formando uma camada de nitretos.

Carbonitruração

• Combina a introdução de carbono e nitrogênio na superfície do aço a fim de melhorar suas propriedades mecânicas
• semelhante à carburação de gás com adição de amônia à atmosfera de carburação.
• O carbono e o azoto se difundem par o interior da peça.
• A temperatura máxima do tratamento é de 850 °C.
• É mais econômica que a cementação e reduz a distorção da peça durante a têmpera.
• A temperatura mais baixa possibilita a têmpera em óleo, ou mesmo com um gás protetor.

Ferros Fundidos

• Ligas ferrosas com teor de carbono acima de 2,1% em peso, contendo 3,0 a 4,5% de C e 0,5 a 3,0% de Si.
• Ponto de fusão mais baixo e maior fluidez em relação ao aço.
• Baixo custo e produzidos por fundição em areia.
• Gama ampla de propriedades dependendo da composição e da velocidade de arrefecimento.
• Si - substitui o C, parcialmente, e promove a formação de grafite
• A cementite (Fe3C) pode ser decomposta para formar ferrite + grafite, através da reação Fe3C → 3Fe (α) + C (grafite).

Aplicações e Características dos Ferros Fundidos

• Podem substituir os aços. Exemplo: Estruturas e elementos deslizantes de máquinas
• Estruturas construídas em ferro fundido tem maior capacidade de amortecer vibrações, melhor estabilidade dimensional, maior resistência ao desgaste
• Vantagens incluem: baixo ponto de fusão (relativo aos aços), elevada dureza e resistência ao desgaste, boa resistência à corrosão, versatilidade de propriedades e aplicações, e baixo custo.
• Desvantagens incluem: baixa ductilidade (o que implica grande fragilidade), deformação plástica impossível, são difíceis de maquinar, soldadura muito limitada, e domínio elástico não linear.

Diagramas de Equilíbrio Ferro-Carbono

• Um ferro fundido é uma liga ferrosa com um teor de carbono superior a 2,1%, sendo uma liga Fe-C que sofre a reação eutética durante a solidificação.
• Os ferros fundidos podem ser classificados em: hipoeutéticos (2,1 < %C < 4,2), eutéticos (4,2%C), ou hipereutéticos.
• O ponto eutéctico é definido pelo ponto de equilíbrio entre a austenite e a cementite (4,3%C;T=1147°C).
• A reação eutética é L (4,3%C) →  (2,11%C) + Fe3C (6,67%C).
• Quando um ferro fundido eutético é solidificado, forma-se ledeburite, com uma estrutura com fundo de cementite e glóbulos de austenite.
• A austenite pode dar origem a perlite se a velocidade de arrefecimento for muito lenta.
• Diagrama Fe-C e depois Diagrama Fe-Fe3C

Tipos de Ferros Fundidos

• Classes: FF Branco, FF Maleável, FF Cinzento, FF nodular ou dúctil. | Element | FF Branco | FF Maleável | FF Cinzento | FF nodular ou dúctil | | ----------- | --------- | ----------- | ----------- | -------------------- | | Carbono | 1.8-3.6 | 2.00-2.60 | 2.5-4.0 | 3.0-4.0 | | Silício | 0.5-1.9 | 1.10-1.60 | 1.0-3.0 | 1.8-2.8 | | Manganês | 0.25-0.80 | 0.20-1.00 | 0.25-1.0 | 0.10-1.00 | | Enxofre | 0.06-0.20 | 0.04-0.18 | 0.02-0.25 | 0.03 max | | Fósforo | 0.06-0.18 | 0.18 max | 0.05-1.0 | 0.10 max |
• FF têm sempre Si (elemento grafitizante)
• S e P fazem parte do minério de onde é extraído o Fe
• Existe sobreposição da composição química pelo que só se distinguem através do processamento
• Micro estrutura: -Com Arrefecimento Moderado: Perlite + G
  • Com Arrefecimento Lento: Ferrite + G