Noções básicas de têmpera: tudo o que você precisa saber

O que é têmpera?

A têmpera é um processo de tratamento térmico. No caso do aço, a têmpera envolve aquecê-lo a uma temperatura acima de sua temperatura crítica Ac3 (para aço hipoeutetóide) ou Ac1 (para aço hipereutetóide), mantendo-o por um determinado período para permitir a austenitização completa ou parcial, e então resfriando-o rapidamente abaixo de Ms (ou próximo de Ms para isotérmico) a uma taxa mais rápida que a taxa crítica de resfriamento, permitindo a transformação em martensita (ou bainita).

A têmpera também é usada para se referir aos processos de tratamento térmico que envolvem tratamento de solução ou resfriamento rápido para materiais como ligas de alumínio, ligas de cobre, ligas de titânio e vidro temperado.

Métodos de têmpera no processo de tratamento térmico

A têmpera é um método de tratamento térmico que envolve aquecer o aço acima de sua temperatura crítica, mantê-lo por um determinado período e, em seguida, resfriá-lo a uma taxa maior que a velocidade crítica de resfriamento para obter uma estrutura desequilibrada predominantemente martensítica (embora a bainita ou uma austenita monofásica também pode ser obtido conforme necessário).

A têmpera é o método mais amplamente aplicado nos processos de tratamento térmico de aço.

Existem aproximadamente quatro processos básicos no tratamento térmico do aço: recozimento, normalização, têmpera e revenido.

Anelamento

Isto envolve aquecer a peça de trabalho a uma temperatura apropriada, mantê-la por um período dependente do material e do tamanho da peça de trabalho e, em seguida, resfriá-la lentamente (taxa de resfriamento mais lenta). O objetivo é trazer a estrutura interna do metal ao equilíbrio ou próximo a ele, alcançando bom desempenho de processo e desempenho de uso, ou preparando a estrutura para posterior têmpera.

Normalizando

Depois de aquecer a peça a uma temperatura adequada, ela é resfriada ao ar. O efeito da normalização é semelhante ao recozimento, mas produz uma estrutura mais fina. É comumente usado para melhorar o desempenho de corte de materiais e, às vezes, usado como tratamento térmico final para peças com requisitos menos exigentes.

Temperamento

Para reduzir a fragilidade das peças de aço, aquelas que foram temperadas são mantidas a uma temperatura superior à temperatura ambiente, mas abaixo de 710°C, por um longo período antes do resfriamento. Este processo é conhecido como têmpera.

Têmpera

Este é um processo de tratamento térmico que envolve o aquecimento da peça para austenitizá-la e, em seguida, resfriá-la de maneira adequada para obter uma estrutura de martensita ou bainita. Os métodos comuns incluem têmpera em água, têmpera em óleo e têmpera em ar.

Recozimento, normalização, têmpera e revenido são os “quatro fogos” no tratamento térmico integral. A têmpera e o revenido estão intimamente relacionados, são frequentemente usados ​​em conjunto e ambos são indispensáveis.

Existem dez métodos de têmpera no processo de tratamento térmico, que são:

• Têmpera de meio único (usando água, óleo ou ar);
• Têmpera interrompida;
• Martemperagem;
• Martemperamento abaixo do ponto Ms;
• Têmpera isotérmica de bainita;
• Têmpera composta;
• Têmpera isotérmica pré-resfriada;
• Têmpera de resfriamento retardada;
• Extinguindo o auto-temperamento;
• Têmpera a jato.

1. Têmpera de meio único (água, óleo, ar)

Neste processo, a peça é aquecida até a temperatura de têmpera e então rapidamente resfriada por imersão em um meio de têmpera. Este é o método de têmpera mais simples e é comumente usado para peças de aço carbono e aço-liga de formato simples. A escolha do meio de têmpera é baseada em fatores como coeficiente de transferência de calor, temperabilidade, tamanho e formato das peças.

Fig. 1 Têmpera de meio único (água, óleo, ar)

2. Têmpera interrompida

No processo de tratamento térmico, a peça que foi aquecida até a temperatura de têmpera é resfriada rapidamente até o ponto próximo ao início da martensita (MS) em um meio de resfriamento forte. A peça é então resfriada lentamente até a temperatura ambiente em um meio de resfriamento mais lento, o que cria uma gama de diferentes temperaturas de têmpera e taxas de resfriamento ideais.

Este método é usado para peças com formatos complexos ou peças grandes feitas de aço com alto teor de carbono, aço-liga e aço carbono para ferramentas. Os meios de resfriamento comuns incluem água-óleo, água-nitrato, água-ar e óleo-ar. A água é normalmente usada como meio de resfriamento rápido, enquanto o óleo ou o ar são usados ​​como meio de resfriamento mais lento. O ar é usado com menos frequência.

3. Martemperagem

O aço é austenitizado e depois imerso no meio líquido (banho de sal ou banho alcalino) com temperatura ligeiramente superior ou inferior ao ponto martensítico superior do aço por um tempo específico. O aço é então retirado para resfriamento ao ar, e a austenita sub-resfriada se transforma lentamente em martensita.

Este método é geralmente usado para peças pequenas com formas complexas e requisitos rígidos de deformação. Ferramentas e matrizes de aço rápido e aço de alta liga também são comumente temperadas usando este método.

4. Método de têmpera martensítica graduada abaixo do ponto Ms

A peça é resfriada rapidamente no banho quando a temperatura do banho é inferior ao ponto MS (início da martensita) e superior ao ponto MF (acabamento da martensita). Isso resulta no mesmo resultado que usar um tamanho de banho maior.

Este método é comumente usado para peças de aço de grande tamanho e baixa temperabilidade.

5. Têmpera isotérmica de bainita

A peça é temperada em um banho com temperatura de bainita mais baixa para tratamento isotérmico, causando a formação de bainita inferior. Este processo é normalmente realizado mantendo a peça no banho por 30 a 60 minutos.

A têmpera isotérmica do processo de bainita consiste em três etapas:

• Tratamento austenitizante
• Tratamento de resfriamento após austenitização
• Austêmpera bainita

Este método é comumente usado para peças de pequeno porte feitas de liga de aço e aço de alto carbono, bem como peças fundidas de ferro dúctil.

6. Têmpera composta

A martensita com fração volumétrica de 10% a 30% é obtida pela têmpera da peça abaixo do ponto MS, seguida de tratamento isotérmico na região inferior da bainita.

Este método é comumente usado para peças de liga de aço para ferramentas.

7. Têmpera isotérmica pré-resfriada

Este método de têmpera também é conhecido como austêmpera step-up. O processo envolve primeiro resfriar as peças em um banho com temperatura mais baixa (acima de MS) e depois transferi-las para um banho com temperatura mais alta para sofrer a transformação isotérmica da austenita.

Este método é apropriado para peças de aço com baixa temperabilidade ou grandes dimensões, bem como peças que devem ser austemperadas.

8. Extinção por resfriamento pelado

No processo de têmpera isotérmica pré-resfriada, as peças são pré-resfriadas a uma temperatura ligeiramente acima de Ar3 ou Ar1 usando ar, água quente ou banho de sal. Em seguida, é realizada a têmpera de meio único.

Este método é frequentemente usado para peças com formatos complexos, diferenças significativas de espessura e requisitos mínimos de deformação.

9. Auto-têmpera

O processo de têmpera e auto-têmpera envolve o aquecimento de todas as peças de trabalho, mas apenas a imersão das peças a serem endurecidas (geralmente as peças de trabalho) em um líquido de têmpera para resfriamento durante a têmpera.

Assim que o brilho das peças não imersas desaparece, o processo de têmpera é imediatamente removido para resfriamento ao ar.

Este método permite a transferência de calor do centro para a superfície para temperá-la e é comumente usado para ferramentas que devem resistir a impactos como cinzéis, punções, martelos, etc.

10. Têmpera a jato

O método de têmpera de pulverização de água na peça de trabalho pode ser ajustado em termos de fluxo de água, dependendo da profundidade de têmpera desejada. A têmpera a jato evita a formação de uma película de vapor na superfície da peça de trabalho, o que resulta em uma camada endurecida mais profunda em comparação com a têmpera normal em água.

Este método é usado principalmente para têmpera superficial localizada.

Finalidade da têmpera

O objetivo da têmpera é induzir a transformação da austenita super-resfriada em martensita ou bainita, resultando em uma estrutura martensítica ou bainítica. O revenimento subsequente em diferentes temperaturas pode aumentar significativamente a rigidez, dureza, resistência ao desgaste, resistência à fadiga e tenacidade do aço, atendendo aos diversos requisitos de várias peças mecânicas e ferramentas. A têmpera também pode satisfazer propriedades físicas e químicas especiais, como o ferromagnetismo e a resistência à corrosão de certos aços especiais.

A têmpera é um processo de tratamento térmico de metal que envolve aquecer uma peça de metal a uma temperatura apropriada, mantê-la por um período e, em seguida, resfriá-la rapidamente por imersão em um meio de têmpera. Os meios de têmpera comumente usados ​​incluem salmoura, água, óleo mineral e ar. A têmpera pode melhorar a dureza e a resistência ao desgaste de peças metálicas e é amplamente utilizada em várias ferramentas, moldes, ferramentas de medição e peças resistentes ao desgaste (como engrenagens, rolos, peças carburadas, etc.).

Através da têmpera e posterior revenido em diferentes temperaturas, a resistência do metal pode ser bastante melhorada e sua tenacidade e resistência à fadiga reduzidas. Este processo pode alcançar um equilíbrio dessas propriedades (desempenho mecânico abrangente) para atender a diferentes requisitos de uso.

Além disso, a têmpera também pode conferir certas propriedades físicas e químicas aos aços com desempenho especial, como aumentar o ferromagnetismo do aço magnético permanente, melhorar a resistência à corrosão do aço inoxidável, etc.

Quando o aço comum é aquecido acima da sua temperatura crítica, a estrutura que existia à temperatura ambiente transformar-se-á total ou largamente em austenite. Posteriormente, o aço é rapidamente resfriado por imersão em água ou óleo, fazendo com que a austenita se transforme em martensita. A martensita tem a maior dureza em comparação com outras estruturas de aço. O resfriamento rápido durante a têmpera causa tensão interna na peça de trabalho, que, quando suficientemente grande, pode causar distorção, torção ou até mesmo rachaduras na peça de trabalho. Portanto, um método de resfriamento adequado deve ser escolhido.

Com base no método de resfriamento, os processos de têmpera podem ser divididos em quatro categorias: têmpera líquida única, têmpera média dupla, têmpera graduada de martensita e têmpera isotérmica de bainita.

Processo de têmpera

O processo de têmpera inclui três estágios: aquecimento, retenção e resfriamento. Aqui, os princípios para a seleção dos parâmetros do processo para essas três etapas são introduzidos usando a têmpera do aço como exemplo.

Temperatura de aquecimento de extinção

Baseado no ponto crítico de transformação de fase do aço, o aquecimento durante a têmpera visa formar grãos austeníticos finos e uniformes, obtendo uma estrutura martensítica fina após a têmpera.

A faixa de temperatura de aquecimento de têmpera para aço carbono é mostrada na figura “Temperatura de aquecimento de têmpera”. O princípio de seleção da temperatura de têmpera mostrado nesta figura também se aplica à maioria dos aços-liga, especialmente aos aços de baixa liga. A temperatura de aquecimento do aço hipoeutetóide é 30-50°C acima da temperatura Ac3.

A partir da figura “Temperatura de aquecimento de têmpera”, podemos ver que o estado do aço em alta temperatura está na região de austenita monofásica (A), por isso é chamado de têmpera completa. Se a temperatura de aquecimento do aço hipoeutetóide for superior à temperatura Ac1 e inferior à temperatura Ac3, então a ferrita proeutetóide previamente existente não é completamente transformada em austenita em alta temperatura, o que é uma têmpera incompleta (ou subcrítica). A temperatura de têmpera do aço hipereutetóide é 30-50°C acima da temperatura Ac1, esta faixa de temperatura está na região de fase dupla austenita e cementita (A+C).

Portanto, a têmpera normal do aço hipereutetóide ainda pertence à têmpera incompleta, e a estrutura obtida após a têmpera é a martensita distribuída na matriz de cementita. Esta estrutura possui alta dureza e alta resistência ao desgaste. Para o aço hipereutetóide, se a temperatura de aquecimento for muito alta, muito da cementita proeutetóide se dissolverá, até mesmo se dissolverá completamente, então os grãos de austenita crescerão e o teor de carbono da austenita também aumentará.

Após a têmpera, a grande estrutura de martensita aumenta a tensão interna nas microrregiões do aço temperado, aumenta o número de microfissuras e aumenta a tendência da peça a se deformar e rachar. Como a concentração de carbono na austenita é alta, o ponto de martensita cai, a quantidade de austenita retida aumenta e a dureza e a resistência ao desgaste da peça diminuem. A temperatura de têmpera dos aços comumente usados ​​é mostrada na figura “Temperatura de aquecimento de têmpera”, e a tabela mostra a temperatura de aquecimento para têmpera dos aços comumente usados.

Na produção real, a escolha da temperatura de aquecimento precisa ser ajustada de acordo com condições específicas. Por exemplo, quando o teor de carbono no aço hipoeutetóide está no limite inferior, quando a carga do forno é grande e quando se deseja aumentar a profundidade da camada de têmpera da peça, a temperatura limite superior pode ser escolhida; se o formato da peça for complicado e os requisitos de deformação forem rigorosos, a temperatura limite inferior deve ser adotada.

Retenção de têmpera

O tempo de manutenção da têmpera é determinado por vários fatores, como modo de aquecimento do equipamento, tamanho da peça, composição do aço, quantidade de carga do forno e potência do equipamento. Para o endurecimento total, o objetivo da retenção é fazer com que a temperatura interna da peça convirja uniformemente.

Para todos os tipos de têmpera, o tempo de espera depende, em última análise, da obtenção de uma boa estrutura de aquecimento de têmpera na área de têmpera necessária. O aquecimento e a retenção são etapas importantes que afetam a qualidade da têmpera. O estado da estrutura obtido pela austenitização afeta diretamente o desempenho após a têmpera. O tamanho do grão de austenita das peças de aço em geral é controlado em 5 a 8 níveis.

Resfriamento de têmpera

Para fazer com que a fase de alta temperatura do aço – austenita, se transforme na fase metaestável de baixa temperatura – martensita durante o processo de resfriamento, a velocidade de resfriamento deve ser maior que a velocidade crítica de resfriamento do aço. Durante o processo de resfriamento da peça, há uma certa diferença entre a velocidade de resfriamento da superfície e do núcleo. Se esta diferença for grande o suficiente, pode fazer com que a peça com taxa de resfriamento superior à taxa de resfriamento crítica se transforme em martensita, enquanto o núcleo que é menor que a taxa de resfriamento crítica não pode se transformar em martensita.

Para garantir que toda a seção transversal se transforme em martensita, um meio de têmpera com capacidade de resfriamento suficiente precisa ser selecionado para garantir que o núcleo da peça tenha uma velocidade de resfriamento alta o suficiente. Mas se a velocidade de resfriamento for grande, a tensão interna causada pela expansão e contração térmica irregular dentro da peça de trabalho pode causar deformação ou rachadura na peça de trabalho. Portanto, considerando os dois fatores conflitantes acima, é importante escolher razoavelmente o meio de têmpera e o método de resfriamento.

A etapa de resfriamento não consiste apenas em obter uma estrutura razoável para as peças, atingindo o desempenho exigido, mas também em manter a precisão do tamanho e da forma das peças. É um elo fundamental no processo de têmpera.

Dureza da peça

A dureza da peça temperada afeta o efeito da têmpera. A dureza da peça temperada é geralmente determinada pelo seu valor HRC medido por um testador de dureza Rockwell. O valor HRA pode ser medido para placas finas de aço duro e peças de trabalho temperadas superficialmente, enquanto para placas de aço temperadas com espessura inferior a 0,8 mm, peças temperadas superficialmente com uma camada rasa e barras de aço temperadas com diâmetro inferior a 5 mm, uma superfície O testador de dureza Rockwell pode ser usado para medir seus valores de HRC.

Ao soldar aço carbono e certos aços-liga, a têmpera pode ocorrer na zona afetada pelo calor e tornar-se dura, o que é propenso a trincas a frio. Isso é algo a ser evitado durante o processo de soldagem.

Devido à dureza e fragilidade do metal após a têmpera, a tensão superficial residual gerada pode causar trincas a frio. O revenido pode ser usado como um dos métodos para eliminar trincas a frio sem afetar a dureza.

A têmpera é mais adequada para uso com peças de pequena espessura e diâmetro. Para peças maiores, a profundidade de têmpera não é suficiente e a cementação apresenta o mesmo problema. Neste momento, considere adicionar ligas como o cromo ao aço para aumentar a resistência.

A têmpera é um dos meios básicos de reforço de materiais de aço. A martensita no aço é a fase mais dura nas estruturas de solução sólida à base de ferro, portanto as peças de aço podem obter alta dureza e alta resistência por têmpera. No entanto, a martensita é muito frágil e há uma grande tensão interna de têmpera dentro do aço após a têmpera, portanto não é adequada para aplicação direta e deve ser revenida.

Vários tipos de métodos de têmpera

Extinção de meio único: A peça é resfriada em um meio, como água ou óleo. As vantagens são operação simples, fácil mecanização e ampla aplicação. A desvantagem é que a têmpera em água causa grandes tensões, tornando a peça sujeita a deformações e trincas; a têmpera em óleo tem uma taxa de resfriamento lenta, pequeno diâmetro de têmpera e é difícil têmpera em peças grandes.

Têmpera Dupla Média: A peça de trabalho é primeiro resfriada a cerca de 300 ℃ em um meio com forte capacidade de resfriamento e depois resfriada em um meio com capacidade de resfriamento mais fraca. Este método pode efetivamente reduzir a tensão interna devido à transformação martensítica e reduzir a tendência de deformação e rachaduras da peça.

Têmpera Estágio: A peça é temperada em banho de sal de baixa temperatura ou banho alcalino, com temperatura próxima ao ponto Ms. A peça permanece nesta temperatura por 2 a 5 minutos e depois é resfriada ao ar.

Têmpera isotérmica: A peça é temperada em banho de sal isotérmico, a temperatura do banho de sal está na parte inferior da zona de bainita (ligeiramente superior a Ms). A peça permanece na mesma temperatura por um longo tempo até que a transformação da bainita seja completada e então é resfriada ao ar.

Têmpera de Superfície: A têmpera superficial é um método de têmpera parcial da camada superficial de uma peça de aço até uma certa profundidade, enquanto o núcleo permanece não temperado.

Endurecimento por indução: O aquecimento por indução usa indução eletromagnética para gerar correntes parasitas na peça de trabalho para aquecimento.

Têmpera Criogênica: Isto envolve a imersão em uma solução de água gelada com forte capacidade de resfriamento como meio de têmpera.

Têmpera Parcial: Isto envolve a têmpera apenas das partes da peça que precisam ser endurecidas.

Têmpera por resfriamento a gás: Refere-se especificamente ao aquecimento no vácuo e à têmpera em pressão negativa circulante de alta velocidade, pressão normal ou gás neutro e inerte de alta pressão.

Extinção por resfriamento a ar: Isso envolve o uso de fluxo de ar forçado ou ar comprimido como meio de resfriamento para têmpera.

Têmpera com salmoura: Isso envolve o uso de uma solução de água salgada como meio de resfriamento para têmpera.

Têmpera com solução orgânica: Isto envolve o uso de uma solução aquosa de polímero orgânico como meio de resfriamento para têmpera.

Têmpera por Pulverização: Isto envolve o uso de um fluxo de jato líquido como meio de resfriamento para têmpera.

Resfriamento de banho quente: Isso envolve a têmpera da peça em um banho quente, como sal fundido, álcali fundido, metal fundido ou óleo de alta temperatura.

Têmpera de duplo líquido: Após o aquecimento da peça para formar austenita, ela é primeiro imersa em um meio com forte capacidade de resfriamento, e quando a organização está prestes a sofrer transformação martensítica, é imediatamente transferida para um meio com fraca capacidade de resfriamento para resfriamento.

Têmpera pressurizada: Após o aquecimento da peça para formar austenita, ela é temperada sob fixação específica, com o objetivo de reduzir a distorção de resfriamento da têmpera.

Endurecimento completo: Isso envolve a têmpera completa da peça de trabalho desde a superfície até o coração.

Têmpera isotérmica: A peça de trabalho é rapidamente resfriada até o intervalo de temperatura de transformação da bainita para manter a isotermalidade após o aquecimento para formar austenita, permitindo que a austenita se torne bainita.

Têmpera Estágio: Após o aquecimento da peça para formar austenita, ela é imersa em um banho alcalino ou banho de sal com temperatura ligeiramente superior ou inferior ao ponto M1 por um certo tempo, e após toda a peça atingir a temperatura média, é retirada para ar resfriamento para obtenção de martensita.

Extinção por subtemperatura: As peças de aço hipoeutetóide são temperadas após serem austenitizadas na faixa de temperatura Ac1-Ac3 para obter estruturas de martensita e ferrita.

Têmpera Direta: Isso envolve a têmpera direta da peça após a cementação.

Têmpera Dupla: Após a cementação da peça, ela é primeiro austenitizada a uma temperatura superior a Ac3 e depois temperada para refinar a estrutura do núcleo. É então austenitizado a uma temperatura ligeiramente superior a Ac3 para refinar a estrutura da camada carburizada.

Têmpera com auto-resfriamento: Depois que a peça de trabalho é rapidamente aquecida para austenitização local ou na superfície, o calor da área de aquecimento se espalha por conta própria para a área não aquecida, fazendo com que a área austenitizada esfrie rapidamente.

Aplicação de têmpera

A têmpera é amplamente utilizada na moderna indústria de fabricação mecânica. Peças importantes em máquinas, especialmente peças de aço usadas em automóveis, aeronaves e foguetes, quase todas passaram por têmpera. Para atender aos diversos requisitos técnicos de diversas peças, vários processos de têmpera foram desenvolvidos. Por exemplo, de acordo com as peças a serem tratadas, há têmpera total, parcial e superficial; dependendo se a transformação de fase é completa durante o aquecimento, há têmpera completa e têmpera incompleta (para aço hipoeutetóide, este método também é chamado de têmpera subcrítica); de acordo com o conteúdo da transformação de fase durante o resfriamento, há têmpera em estágios, têmpera isotérmica e têmpera por subvelocidade.

Além disso, devido às características e limitações de cada método de têmpera, todos eles são utilizados sob determinadas condições, entre as quais a têmpera de superfície por aquecimento por indução e a têmpera por chama são as mais utilizadas. O aquecimento por feixe de laser e o aquecimento por feixe de elétrons estão desenvolvendo rapidamente métodos de extinção de aquecimento de alta densidade de energia. Por possuírem algumas características que outros métodos de aquecimento não possuem, estão chamando a atenção.

A têmpera superficial é amplamente utilizada em peças de máquinas feitas de aço temperado com médio carbono ou ferro dúctil. Porque o aço temperado com médio carbono pode manter propriedades mecânicas abrangentes no núcleo e alta dureza (> HRC 50) e resistência ao desgaste na superfície após pré-tratamento (revenido ou normalização) e depois têmpera superficial. Por exemplo, fusos de máquinas-ferramentas, engrenagens, virabrequins de motores diesel, árvores de cames, etc. Em princípio, a têmpera superficial pode ser realizada em ferro fundido cinzento à base de ferro ferrítico perlítico, ferro dúctil, ferro fundido maleável, ferro fundido de liga, etc., que são equivalente à composição do aço de médio carbono. O desempenho do processo do ferro dúctil é o melhor e também possui propriedades mecânicas abrangentes e elevadas, por isso é o mais utilizado.

Depois que o aço com alto teor de carbono é temperado superficialmente, embora a dureza superficial e a resistência ao desgaste sejam melhoradas, a plasticidade e a tenacidade do núcleo são relativamente baixas, de modo que a têmpera superficial do aço com alto carbono é usada principalmente para ferramentas, ferramentas de medição e altas temperaturas a frio. rolos endurecidos que suportam pequenos impactos e cargas alternadas.

Como o efeito de reforço não é significativo após a têmpera superficial do aço de baixo carbono, ele raramente é usado.