Relatório Aço CK45 e ST37.2

Instituto de Emprego e Formação Profissional Centro de Formação Profissional de Setúbal

Curso: Tratamento de Metais – Conceitos Básicos Módulo: Revestimentos Não Metálicos – Inorgânicos

Formadora: Engª Maria Ferreira

1 Trabalho elaborado por:

Mónica Pinheiro nº12


Resumo do Trabalho O principal objectivo deste trabalho é verificar qual a influência/efeitos dos tratamentos térmicos de recozimento, normalização, têmpera, revenido e cementação no processo de transformação dos Aços CK45 e ST37.2 e a evolução da sua dureza em várias condições de temperatura de aquecimento, tempos de patamar, bem como de arrefecimento, de forma a obter uma comparação.

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Índice Resumo do Trabalho ____________________________________________ 2 Introdução Teórica Teórica ______________________________________________ 6 Caracterização do Material e das Amostras __________________________ 12 Natureza dos Materiais ____________________________________ 12 Composição Química dos Materiais __________________________ 12 Propriedades Mecânicas ___________________________________ 12 Características dos Aços __________________________________ 13 Geometrias/Dimensões das Amostras Amostras de Aço __________________ 13 Caracterização do Equipamento Utilizado_______________________ Utilizado________________________ _ 14 Parte Experimental__________________ Experimental________________________________ ________________________ __________ 16 Descrição dos Processos Mecânicos e Térmicos – Amostras Aço CK45 - 50x20x40 mm ___________________________________________ 16 1ª Fase – Limpeza Mecânica Mecânica das das Peças ________________ 16 Tabelas de Durezas – Medição Base do Aço CK45 __ 17 Amostra 1 de Aço CK45 ____________________________ 18 Recozimento________________________________ 18 Amostra 2 de Aço CK45 ____________________________ 19 Têmpera ___________________________________ 19 Revenido __________________________________ 19 Amostra 3 de Aço CK45 ____________________________ 20 Normalização ______________________________ 20 Descrição dos Processos Mecânicos e Térmicos – Amostras Aço ST37.2 - 32x12x40 mm _________________________________________ 21 Limpeza Mecânica das Peças ______________________ 21 Tabelas de Durezas – Medição Base do Aço Aço ST37.2 _ 22 3

Instituto de Emprego e Formação Profissional Centro de Formação Profissional de Setúbal Amostra 1 de Aço ST37.2 _________________________ 23 Cementação ________________________________ 23 Têmpera ___________________________________ 24 Revenido ___________________________________ 24 Amostra 2 de Aço ST37.2 _________________________ 25 Têmpera ___________________________________ 25 Revenido __________________________________ 26 Análise dos Resultados do Aço CK45_______________________________ 27 Análise dos Resultados do Aço ST37.2______________________________28 Conclusão____________________________________________________ 29 Comentários/Sugestões__________________________________________30 Webgrafia_____________________________________________________30 Glossário_____________________________________________________31

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Índice de Ílustraço es e Tabelas Tabela 1 - Esquema utilizado na Medição das Durezas ______________________________ 17 Tabela 2 - Tabelas Durezas – Média e Desvio Padrão - Base - Amostra 1 – Aço CK45 _____ 17 Tabela 3 - Tabelas Durezas - Média e Desvio Padrão - Base - Amostra 2 - Aço CK45 ______ 17 Tabela 4 - Tabelas Durezas - Média e Desvio Padrão - Base - Amostra 3 - Aço CK45 ______ 17 Tabela 5 - Tabelas de Durezas - Média e Desvio Padrão - Recozimento - Amostra 1 - Aço CK45______________________________________________________________________ 18 Tabela 6 - Tabelas Durezas - Média e Desvio Padrão - Têmpera - Amostra 2 - Aço CK45 ___ 19 Tabela 7 - Tabelas Durezas - Média e Desvio Padrão - Revenido - Amostra 2 - Aço CK45 __ 20 Tabela 8 - Tabelas Dureza - Média e Desvio Padrão - Normalização - Amostra 3 - Aço CK45 21 Tabela 9 - Tabelas Durezas - Média e Desvio Padrão - Base - Amostra 1 - Aço ST37.2 _____ 22 Tabela 10 - Tabelas Durezas - Média e Desvio Padrão - Base - Amostra 2 - Aço ST37.2 ___ 22 Tabela 11 - Tabelas Durezas - Média e Desvio Padrão - Cementação - Amostra 1 - Aço ST 37.2_______________________________________________________________________ 23 Tabela 12 - Tabelas Durezas - Média e Desvio Padrão - Têmpera - Amostra 1 – Aço ST37.2 24 Tabela 13 - Tabelas Durezas - Média e Desvio Padrão - Revenido – Amostra 1 - Aço ST37.2 25 Tabela 14 - Tabelas Durezas - Média e Desvio Padrão - Têmpera - Amostra 2 - Aço ST37.2 25 Tabela 15 - Tabelas Durezas - Média e Desvio Padrão - Revenido - Amostra 2 - Aço ST37.2 26 Tabela 16 - Tabela Comparação da Média - Aço CK45/ Tabela 17 - Tabela Comparativa Desvio Padrão - Aço CK45 __________________________________________________________ 27 Tabela 18 - Tabela Comparação de Média - Aço ST37.2/Tabela 19 - Tabela Comparação de Desvio Padrão - Aço ST37.2 ___________________________________________________ 28 Ilustração 1 - Diagrama de Fases _______________________________________________ 11 Ilustração 2 - Aplicações do Aço ________________________________________________ 13 Ilustração 3 - Amostra CK45 com Ferrugem _______________________________________ 16 Ilustração 4 - Amostra CK45 Já Limada __________________________________________ 16 Ilustração 5 - Amostra 1 CK45 Após Recozimento __________________________________ 18 Ilustração 6 - Amostra 2 - CK45 - Após Têmpera e Revenido __________________________ 20 Ilustração 7 - Amostra 3 - CK45 - Após Normalização _______________________________ 21 Ilustração 8 - Amostra ST37.2 com ferrugem ______________________________________ 22 Ilustração 9 - Amostra 1 - ST37.2 - Após Cementação, Têmpera e Revenido _____________ 25 Ilustração 10 - Amostra 2 - CK45 - Após Têmpera e Revenido _________________________ 26

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Íntroduçao Teorica O Aço é uma liga metálica formada essencialmente por ferro e carbono, sendo a percentagem deste último variável entre 0,008% e 2,11%. Além da percentagem de carbono o aço é também constituído por elementos residuais, ou seja, elementos que ficam no material metálico após o processo de fabricação. Dentro do aço, o carbono, junta-se ao ferro e forma um composto chamado carbeto de ferro (Fe3C), uma substância muito dura. Isto, proporciona dureza ao aço, aumentando a sua resistência mecânica. Por outro lado, diminui a sua ductilidade, resistência ao choque e à soldabilidade. O que o torna mais difícil de trabalhar por conformação mecânica. O aço distingue-se do ferro fundido, que também é uma liga de ferro e carbono, mas com teor de carbono entre 2,11% e 6,67%. A diferença fundamental entre ambos é que o aço, pela sua ductilidade, é facilmente deformável por forja, laminação e extrusão, enquanto que uma peça em ferro fundido é fabricada pelo processo de fundição, o que a torna mais frágil. O aço apresenta uma interessante combinação de propriedades mecânicas que podem ser modificadas dentro de uma ampla faixa variando-se os componentes da liga e as suas quantidades, mediante a aplicação de tratamentos térmicos ou termoquímicos. Sendo que a sua plasticidade permite obter peças de formas geométricas complexas com relativa facilidade. O aço é actualmente a mais importante liga metálica, sendo empregue de forma intensiva em numerosas aplicações tais como máquinas, ferramentas, em construção, na indústria, em utilidades domésticas e em bens de consumo geral, na indústria automobilística e em componentes dos mais diversos tipos. Existem diversos tipos de aços, cada um com as suas características e propriedades, mas neste trabalho serão abordados apenas dois, o aço CK45 e o aço ST37.2. O aço CK 45 (SAE 1045) é um aço com 0,45% de carbono na sua composição, sendo assim classificado como aço de médio teor de carbono com boas propriedades mecânicas e tenacidade bem como boa usinabilidade e soldabilidade quando laminado a quente ou normalizado. Pode ser melhorado através de Tratamentos Térmicos, pois possui temperabilidade baixa, ou seja, baixa penetração de dureza na sua secção transversal, não sendo recomendado para uso em secções superiores a 60 mm. 6

Instituto de Emprego e Formação Profissional Centro de Formação Profissional de Setúbal Possui uma boa relação entre resistência mecânica e resistência à fractura. É utilizado em geral com durezas de 180 a 300 HB. É utilizado no fabrico de componentes de uso geral onde seja necessária uma resistência mecânica superior à dos aços de baixo carbono convencionais. Aplicado principalmente em: eixos em geral, pinos, cilindros, ferrolhos, parafusos, grampos, braçadeiras, pinças, pregos, colunas, peças forjadas, engrenagens comuns, componentes estruturais e de máquinas, virabrequim entre outros. O aço ST37.2 (SAE 1012/15) é um aço extra - macio que possui carbono < 0,15%peso. Por esse motivo trata-se de um aço que aceita mal os tratamentos térmicos, sendo todavia sensível ao tratamento termoquímico de Cementação que lhe vai aumentar o teor em carbono, ainda que duma forma geral somente à superfície, sendo a camada mais ou menos profunda consoante o tempo de cementação.

Para atribuir aos aços propriedades específicas como o aumento da dureza ou da resistência mecânica são utilizados diversos tratamentos térmicos e termoquímicos. Por esse motivo serão abordados no relatório os tratamentos térmicos e termoquímicos realizados nas amostras estudadas de forma a compreender quais os seus efeitos nas durezas do material. Os tratamentos térmicos são então operações de aquecimento e de um dado material a uma dada temperatura e arrefecimento após um certo tempo (patamar para transferência de calor até ao núcleo da peça), em condições controladas, com a finalidade de dar ao material propriedades específicas ou conferir-lhe determinadas características. Os principais objectivos dos Tratamentos Térmicos são afinar as propriedades e o alívio de tensões; aumentar ou diminuir as durezas; aumentar a resistência mecânica e modificar as propriedades eléctricas e magnéticas. Assim como melhorar a ductilidade, maquinalidade, resistência ao desgaste, propriedades de corte, resistência à corrosão e resistência ao calor. Os principais tratamentos térmicos aplicados nas amostras estudadas e abordados agora neste trabalho são:

Recozimento é um tratamento térmico utilizado para corrigir a morfologia dos grãos de metais ou ligas metálicas que passaram por processos de conformação mecânica a frio.

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Instituto de Emprego e Formação Profissional Centro de Formação Profissional de Setúbal Como consequência do trabalho de conformação mecânica os grãos deformam-se e assumem o aspecto alongado, gerando no material características de aumento de dureza, aumento da resistência mecânica e diminuição da resistência ao impacto (material encruado). Assim este tratamento permite a obtenção de um estado próximo do equilíbrio termodinâmico. Condições de trabalho Temperatura: 800 – 960ºC. Patamar: no mínimo 1 hora por cada 25 mm de espessura.

Arrefecimento: lentamente no forno (com a porta fechada). Os efeitos deste tratamento passam pela eliminação da dureza numa peça já temperada anteriormente, fazendo com que ela volte á sua dureza inicial e torna o aço mais homogéneo, melhorando a sua ductilidade e tornando-o usinável.

Normalização consiste num tratamento térmico com o objectivo de aumentar a dureza e a resistência mecânica dos aços através do arrefecimento do aço ao ar, desde uma temperatura superior à sua temperatura crítica num meio como óleo, água ou salmoura. No estado normalizado, a dureza, bem como os seus limites de escoamento e resistência são um pouco mais elevados do que no estado plenamente recozido ao passo que o alongamento e a estricção sofrem ligeira diminuição. A causa dessas alterações reside no facto de não se processar completamente a separação da ferrite, que deveria separar-se na zona crítica. A austenite transforma-se, então, numa perlite lamelar muito fina, que contém mais ferrite que na proporção normal. Condições de trabalho:

- Temperatura: 800 – 960ºC - Patamar: no mínimo 1 hora por cada 25 mm de espessura. - Arrefecimento: ao ar. Em casos especiais pode-se utilizar ar forçado.

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Instituto de Emprego e Formação Profissional Centro de Formação Profissional de Setúbal Sendo que os seus principais efeitos enquanto tratamento são reduzir a tendência de empenamento das peças e facilitar a dissolução dos carbonetos e elementos de liga.

Têmpera - É um tratamento térmico que consiste em aquecimento e arrefecimento brusco, que tem como finalidade aumentar a rigidez. Na têmpera, a peça é aquecida à temperatura de austenização e em seguida submetida a um arrefecimento brusco feito em água, salmoura ou óleo (em alguns casos). Condições de trabalho:

- Temperatura: austenitizar a 800 – 960ºC - Patamar: no mínimo 1 hora por cada 25 mm de espessura. - Arrefecimento: em água A Têmpera tem como principais efeitos o aumento considerável da dureza do aço; o aumento da fragilidade em virtude do aumento de dureza, ou seja, o aço torna-se muito quebradiço e a redução da fragilidade de um aço temperado com outro tratamento térmico, ou seja, com o Recozimento.

Revenido - é um tratamento térmico efectuado sempre após uma têmpera, para alívio de tensões. Pode também ser usado para aumentar a ductilidade e a elasticidade. Consiste assim em aquecer a peça a uma temperatura entre 150ºC a 600ºC com duração de 1 a 3 horas. Quanto maior a temperatura ou a duração do tratamento mais dúctil se torna o aço. Condições de trabalho:

Temperatura: entre 150°C - 600°C. Patamar: com uma duração de 1a 3 horas. Arrefecimento: ao ar com as peças no forno com porta aberta. Os seus principais efeitos são a diminuição da dureza da peça temperada e o aumento considerável da sua resistência aos choques. Os Tratamentos Termoquímicos são aqueles que combinam a acção do calor com a acção química e o resultado é o enriquecimento de uma camada, ou mesmo todo o volume, de uma peça com um elemento metálico ou não metálico. 9

Instituto de Emprego e Formação Profissional Centro de Formação Profissional de Setúbal Ou seja, procedem à adição, por difusão, de elementos químicos (carbono, nitrogénio e boro, entre outros) na superfície do aço. Como a difusão desses elementos é feita com o aquecimento do aço entre 300 e 1200 °C, o tratamento é denominado termoquímico. O processo utilizado neste trabalho prático é a Cementação.

Cementação – Este tratamento tem o objectivo de aumentar a dureza e a resistência ao desgaste da superfície com a introdução ao mesmo tempo em que o núcleo do material se mantém dúctil, embora possa ser aplicado com outros propósitos, como o de aumentar a resistência à fadiga, à corrosão, à oxidação em altas temperaturas, etc. A cementação é feita aquecendo-se a peça de aço de baixo teor de carbono, junto com um material rico em carbono (carburante). Quando a peça atinge altas temperaturas passa a absorver parte do carbono do carburante. Quanto mais tempo a peça permanecer aquecida com o carburante, mais espessa se tornará a camada. Os carburantes podem ser sólidos, (grãos ou pós), líquidos ou gasosos. A qualidade dos carburantes influencia a rapidez com que se forma a camada. Condições de trabalho: Temperatura: 930°C

O C é introduzido na fase austenítica.

Patamar: com uma duração até 5 horas Arrefecimento: no forno O principal efeito obtido através deste tratamento é o endurecimento superficial dos aços

Os principais parâmetros de influência nos tratamentos térmicos são:

Aquecimento: geralmente realizado a temperaturas acima da crítica para uma completa “austenização” do aço.

Esta austenização é o ponto de partida para as transformações posteriores desejadas, que vão acontecer em função da velocidade de arrefecimento.

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Instituto de Emprego e Formação Profissional Centro de Formação Profissional de Setúbal Tempo de permanência à temperatura de aquecimento: deve ser o estritamente necessário para se obter uma temperatura uniforme através de toda a secção do aço; Velocidade de Arrefecimento: é o factor mais importante, pois é o que efectivamente vai determinar a estrutura e consequentemente as propriedades finais desejadas. As siderúrgicas escolhem os meios de resfriamento ainda em função da secção e da forma da peça. Podemos verificar mais em pormenor todas as fases por qual passa o aço através do seguinte esquema:

Ilustração 1 - Diagrama de Fases

No fim deste relatório existe um glossário onde se podem encontrar termos técnicos de difícil compreensão.

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Caracterizaçao do Material e das Amostras Natureza dos Materiais Os materiais usados para a obtenção das amostras (barras) são: O Aço CK45 (SAE 1045) – Constituído por 0.45% de carbono na sua composição (aço de médio teor de carbono) e com boas propriedades mecânicas e tenacidade bem como boa usinabilidade e soldabilidade quando laminado a quente ou normalizado. O Aço ST37.2 (SAE 1012/15) - Aço extra - macio (carbono < 0,12% peso), tratando-se portanto de um aço que aceita mal tratamentos térmicos, sendo todavia sensível ao tratamento termoquímico de Cementação que lhe vai aumentar o teor em carbono, ainda que de uma forma geral somente à superfície, sendo a camada mais ou menos profunda consoante o tempo de cementação.

Composição Química dos Materiais

Aço CK45

Aço ST37.2

Propriedades Mecânicas

Aço CK45

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Instituto de Emprego e Formação Profissional Centro de Formação Profissional de Setúbal Aço ST37.2

•

Características dos Aços Resistência mecânica

•

Resistência ao desgaste

•

Elevada resistência á soldabilidade

•

Elevada resistência á usinabilidade

•

Elevada ductilidade

Geometrias/Dimensões das Amostras de Aço 3 - Amostras de aço Ck45 (rectangulares) de tamanho 50 x 20 x 40 mm. 2 – Amostras de aço ST37.2 (rectangulares) de tamanho 32 x 12 x 40 mm.

Ilustração 2 - Aplicações do Aço 13


Caracterizaçao do Equipamento Utilizado Serrote GBS 218 Eco AutoCut - serrote semiautomático para cortar as amostras de aço;

Lixas P80, P120, P220, P400 - para alisamento/polimento das faces das amostras de aço

Durómetro Metrotec - para realizar medições de dureza nas amostras depois dos tratamentos mecânicos, térmicos e termoquímicos

Torno de Bancada - para fixação das amostras nos tratamentos mecânicos. Marca: Bison; Modelo: 125

Limas Planas, Meia Lua e Redondas para retirar ferrugem das amostras de aço;

Forno - não programável para realizar tratamentos térmicos e termoquímicos às amostras de aço;

Forno NaberTherm Gmbh - forno com programador, para realizar tratamentos térmicos e termoquímicos às amostras. Modelo    empeatua mima   

Dotco Lixadeira Pneumática c/ Discos P80 - para retirar ferrugem das amostras de aço. MDL: 12L2081-36 - 20000 RPM - S/N-420485 – 90 PSIG/6.1 BAR MAX

Mitutoyo Rugosímetro SJ-301- para medir o nível de rugosidade das amostras de aço

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Instituto de Emprego e Formação Profissional Centro de Formação Profissional de Setúbal Almobolia 500gr Metal – recipiente com óleo para lubrificação das amostras para evitar ganho de ferrugem

Caneta Gravação Metal Dremel - para identificação das amostras

E.P.I - os Equipamentos de Proteção Individual específicos para os tratamentos como a bata, botas de biqueira de aço, óculos e luvas que cada operador tem de usar;

Material Limpeza - para efectuar a limpeza das bancadas e limas após cada utilização (vassoura, pá, panos e escova de aço).

Suportes para posicionamento das peças no forno.

Luvas de Kevlar ou de alta temperatura para protecção ao retirar as peças do forno. Capacete de Protecção Centurion 1225

Pinças para retirar as peças do forno. Tinas com água (utilizadas na Têmpera).

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Parte Experimental Descrição dos Processos Mecânicos e Térmicos – Amostras Aço CK45 - 50x20x40 mm 1ª Fase – Limpeza Mecânica das Peças Numa primeira fase, procede-se ao corte de uma barra de aço CK45 em pequenas amostras de 50x20x40 mm, recorrendo á oficina de serralharia e ao Serrote automatizado e com refrigeração, a fim de não provocar alterações por calor na amostra. Prosseguindo depois com a limpeza mecânica da superfície e ao boleamento das arestas das 3 barras de aço CK45 devido á ferrugem/corrosão presente nas mesmas. Isto, com a ajuda de limas e uma broca com lixa mecânica. Retirada toda a camada superficial de ferrugem/corrosão procede-se ao alisamento das barras com lixas de tamanhos 80GR, 120GR, 220GR e 400GR. Para que as barras fiquem uniformes, mas ao mesmo tempo com alguma rugosidade. Efectuada a limpeza mecânica da superfície das barras, verifica-se no rugosímetro qual a rugosidade das barras e se estas se encontram dentro dos seguintes valores definidos: Ra (Rugosidade Média) ≤ . µm e Rz (Rugosidade de Profundidade Média) ≤ 3. µm. Veificada a ugosidade de cada barra, procede-se á medição de durezas das barras na escala Leeb – HL, através do Durómetro, sendo que para isso, foram feitas 3 tomas em cada face (Segundo o Esquema Abaixo). Depois de cada medição de Durezas, ou seja, após cada tratamento finalizado, limpa-se as amostras e coloca-se um óleo penetrante para lubrificação das amostras para evitar novo ganho de ferrugem.

Ilustração 3 - Amostra CK45 com Ferrugem Ilustração 4 - Amostra CK45 Já Limada

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Instituto de Emprego e Formação Profissional Centro de Formação Profissional de Setúbal Face 5

Face 2

Face 1

Face 3

Face 4

Face 6 Tabela 1 - Esquema utilizado na Medição das Durezas

Tabelas de Durezas – Medição Base do Aço CK45 Face 1 Média Face 2 Face 3 Face 4 Face 5 Face 6 (M) Desvio Padrão Leitura 1 444 459 477 446 443 433 Leitura 2 462 465 475 466 439 448 Leitura 3 450 466 490 457 430 449 Tabela 2 - Tabelas Durezas – Média e Desvio Padrão - Base - Amostra 1 – Aço CK45 Face 1 Face 2 Face 3 Face 4 Face 5 Face 6 Média (M) Desvio Padrão Leitura 1 428 437 440 430 415 415 Leitura 2 451 451 434 450 470 471 Leitura 3 416 438 421 418 420 419 Tabela 3 - Tabelas Durezas - Média e Desvio Padrão - Base - Amostra 2 - Aço CK45 Face 1 Face 2 Face 3 Face 4 Face 5 Face 6 Média (M) Desvio Padrão Leitura 1 428 451 444 431 416 423 Leitura 2 452 479 431 441 482 431 Leitura 3 414 428 433 414 411 401 Tabela 4 - Tabelas Durezas - Média e Desvio Padrão - Base - Amostra 3 - Aço CK45

As cores presentes em cada face do cabeçalho da tabela, correspondem ao esquema apresentado acima.

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455,5 15,97

434,67 17,98

433,89 21,77

Instituto de Emprego e Formação Profissional Centro de Formação Profissional de Setúbal Amostra 1 de Aço CK45 Concluída a limpeza mecânica da superfície procede-se aos tratamentos térmicos no aço, neste caso, ao tratamento de Recozimento, como podemos verificar abaixo. Recozimento O Recozimento é um tratamento térmico realizado para regularizar a estrutura bruta de fusão, possibilitando assim uma maior homogeneidade aos materiais fundidos e regularizar as estruturas de materiais deformados a frio ou a quente, regularizando ou eliminando as tensões existentes, originando assim o alívio das tensões. Bem como ajustar o tamanho de grão, diminuir a dureza para melhorar a usinabilidade do aço, alterar as propriedades mecânicas como resistência e ductilidade, assim como eliminar quaisquer tratamentos térmicos a que o aço tenha sido sujeito anteriormente. Para realizar este tratamento, colocou-se a amostra 1 de aço CK45 no forno a uma temperatura de 850ºC num patamar de 50 minutos e o seu posterior arrefecimento ocorreu no forno com a porta fechada. Este tratamento teve como objectivo aliviar as tensões do material e homogeneizar os elementos presentes no mesmo. Concluído o tratamento, realiza-se uma ligeira limpeza mecânica da superfície, antes de medir a dureza, com uma lixa de 120GR e limpa-se a amostra com álcool isopropílico para retirar a camada de sujidade presente na amostra após o tratamento. Após a limpeza, procede-se á medição das durezas através do Durómetro aplicando-se 3 tomas em cada face da amostra (segundo o esquema apresentado anteriormente).

Leitura 1 Leitura 2 Leitura 3

Face 1 (M) 389 419 408

Face 2 Face 3 Face 4 Face 5 Face 6 410 414 394

398 422 396

417 413 389

414 421 412

419 452 414

Média Desvio Padrão

411,17 14,87

Tabela 5 - Tabelas de Durezas - Média e Desvio Padrão - Recozimento - Amostra 1 - Aço CK45

Ilustração 5 - Amostra 1 CK45 Após Recozimento 18

Instituto de Emprego e Formação Profissional Centro de Formação Profissional de Setúbal Amostra 2 de Aço CK45 Efectuada a limpeza mecânica da superfície da peça, procede-se aos tratamentos térmicos de Têmpera seguida de Revenido. Têmpera O tratamento térmico de Têmpera, consiste num aquecimento e arrefecimento brusco da peça e serve para aumentar a rigidez das ligas. Assim, a peça foi submetida a uma temperatura de 850°C num patamar de 50 minutos e logo de seguida foi feito um arrefecimento brusco em água. A temperatura de 850ºC assim que é atingida deve ser mantida, durante o tempo de patamar para que a temperatura na amostra se uniformize e chegue ao seu núcleo. Este tratamento serve para aumentar a resistência mecânica e a dureza da amostra. Concluído o tratamento, procede-se a uma ligeira limpeza mecânica de forma a retirar a sujidade presente na amostra após o tratamento através de lixa de 120GR e álcool isopropílico. Após a limpeza, procede-se á medição das durezas (de acordo com o esquema apresentado anteriormente), de forma a obter uma comparação entre os tratamentos aplicados na amostra.


Face 1 (M) 626 601 599


741 751 730

721 753 673

734 766 736

758 780 745


712,06 54,62

Tabela 6 - Tabelas Durezas - Média e Desvio Padrão - Têmpera - Amostra 2 - Aço CK45

Revenido O Revenido é um tratamento térmico aplicado sempre após uma têmpera, quando a temperatura do forno se apresenta igual ou abaixo de 70°C para alívio de tensões, aumento da ductilidade e elasticidade. Assim, este tratamento é efectuado na amostra previamente temperada, tendo sido esta introduzida no forno a uma temperatura de 225°C num patamar (obtido através da espessura da amostra – sendo 1 hora por cada 25mm de espessura da amostra) de 2 horas e com o arrefecimento ao ar, mais propriamente no forno com a porta completamente aberta. 19

Instituto de Emprego e Formação Profissional Centro de Formação Profissional de Setúbal Concluído o tratamento procede-se a uma ligeira limpeza mecânica na peça através de uma lixa de 120GR e de álcool isopropílico. Feito isto, procede-se á medição das durezas (conforme o esquema apresentado anteriormente) na amostra para efectuar uma comparação entre os diversos tratamentos aplicados.

Face 1 Face 2 Face 3 Face 4 Face 5 Face 6 (M) Média 676,67 Leitura 1 652 671 651 700 697 21,89 Desvio Padrão 604 Leitura 2 653 679 684 688 722 595 Leitura 3 698 654 656 683 662 557 Tabela 7 - Tabelas Durezas - Média e Desvio Padrão - Revenido - Amostra 2 Aço CK45

Ilustração 6 - Amostra 2 - CK45 - Após Têmpera e Revenido

Amostra 3 de Aço CK45 Finalizados os tratamentos mecânicos para limpeza da superfície da amostra, procede-se ao tratamento térmico de normalização, como podemos verificar abaixo. Normalização A normalização consiste no aquecimento do aço a uma temperatura acima da zona crítica, seguido de arrefecimento ao ar. O principal objectivo da normalização é a obtenção de uma estrutura mais uniforme e refinada em peças que apresentem em geral uma estrutura irregular, bem como em peças que vão sofrer outro tipo de tratamento térmico posteriormente, como a têmpera, por exemplo. Assim, para realizar este tratamento térmico, colocou-se a amostra 3 de aço CK45 no forno a uma temperatura de 850ºC num patamar de 50 minutos e com o posterior arrefecimento ao ar (meio ambiente) no exterior do forno. 20

Instituto de Emprego e Formação Profissional Centro de Formação Profissional de Setúbal Este tratamento tem como objectivo aumentar a dureza do material e a resistência mecânica. Concluído o tratamento procede-se a uma ligeira limpeza mecânica na peça através de uma lixa de 120GR e de álcool isopropílico, para que o Durómetro adira numa superfície limpa. Feito isto, procede-se á medição das durezas (conforme o esquema apresentado anteriormente) na amostra para efectuar uma comparação entre os diversos tratamentos aplicados.


Face 1 (M) 438 455 418


424 431 414

446 468 444

450 465 445

453 453 445


440,56 16,02

Tabela 8 - Tabelas Dureza - Média e Desvio Padrão - Normalização - Amostra 3 - Aço CK45

Ilustração 7 - Amostra 3 - CK45 - Após Normalização

Descrição dos Processos Mecânicos e Térmicos – Amostras Aço ST37.2 - 32x12x40 mm Limpeza Mecânica das Peças Numa primeira fase, procede-se ao corte de uma barra de aço ST37.2 em pequenas amostras de 32x12x40 mm, recorrendo á oficina de serralharia e ao Serrote automatizado e com refrigeração, a fim de não provocar alterações por calor na amostra.. Prosseguindo depois com a limpeza mecânica da superfície e ao boleamento das arestas das 2 barras de aço ST37.2 devido á ferrugem/corrosão presente nas mesmas. Isto, com a ajuda de limas e uma broca com lixa mecânica. 21

Instituto de Emprego e Formação Profissional Centro de Formação Profissional de Setúbal Retirada toda a camada superficial de corrosão procede-se ao alisamento das barras com lixas de tamanhos 80GR, 120GR, 220GR e 400GR. Para que as barras fiquem uniformes, mas ao mesmo tempo com alguma rugosidade. Efectuada a limpeza mecânica da superfície das barras, verifica-se no rugosímetro qual a rugosidade das barras e se estas se encontram dentro dos seguintes valores definidos: Ra (Rugosidade Média) ≤ . µm e Rz (Rugosidade de Profundidade Média) ≤ 3. µm. Verificada a rugosidade de cada barra, procede-se á medição de durezas (segundo o esquema apresentado acima) das barras na escala Leeb – HL, através do Durómetro, sendo que para isso, foram feitas 3 tomas em cada face da amostra. Depois de cada medição de Durezas, ou seja, após cada tratamento finalizado, limpa-se as amostras e coloca-se um óleo penetrante para lubrificação das amostras para evitar novo ganho de ferrugem.

Ilustração 8 - Amostra ST37.2 com ferrugem

Tabelas de Durezas – Medição Base do Aço ST37.2 Face 1 Face 2 Face 3 Face 4 Face 5 Face 6 (M) Média Desvio Padrão Leitura 1 289 313 316 259 295 283 Leitura 2 327 346 345 321 329 322 Leitura 3 271 320 324 253 275 228 Tabela 9 - Tabelas Durezas - Média e Desvio Padrão - Base - Amostra 1 - Aço ST37.2


Face 1 (M) 308 356 279


332 341 342

293 337 292

292 326 298

292 326 337


300,89 33,43

313,39 32,41

Tabela 10 - Tabelas Durezas - Média e Desvio Padrão - Base - Amostra 2 - Aço ST37.2 22

Instituto de Emprego e Formação Profissional Centro de Formação Profissional de Setúbal Amostra 1 de Aço ST37.2 Terminados os tratamentos mecânicos de limpeza nas peças seguem-se os tratamentos térmicos e termoquímicos, sendo que na amostra de aço ST37.2 foram realizados os tratamentos de Cementação, Têmpera e Revenido, descritos abaixo como podemos verificar.

Cementação O tratamento termoquímico de Cementação que tem como objectivo aumentar a dureza e a resistência ao desgaste mantendo o núcleo dúctil e tenaz, o que provoca uma maior resistência ao impacto e à fadiga. Para a realização deste tratamento é necessária uma caixa de cementação em que no fundo é colocada uma camada de cemento de 30mm e as amostras são posicionadas por cima do cemento com uma distância relativa mínima de 15 mm. Sendo necessárias mais camadas consoante o número de amostras e a camada final deverá ser maior para preencher a caixa e fechá-la hermeticamente. Assim, a amostra 1 de aço ST37.2 foi colocada na caixa de cementação e posteriormente no forno a uma temperatura de 930°C num patamar de 5 horas e com o posterior arrefecimento no forno com a porta aberta. Neste tratamento o carbono é introduzido na fase de austenite, e irá originar martensite com o posterior arrefecimento da peça. Havendo assim uma formação de forças compressíveis na superfície com o aumento da resistência à fadiga. Concluído o tratamento, realiza-se uma ligeira limpeza mecânica da superfície, antes de medir a dureza, com uma lixa de 120GR e limpa-se a amostra com álcool isopropílico para retirar a camada de sujidade presente na amostra após o tratamento. Após a limpeza, procede-se á medição das durezas através do Durómetro aplicando-se 3 tomas em cada face da amostra.


Face 1 (M) 391 432 356


427 461 400

402 450 380

434 439 374

423 367 382


410,72 30,19

Tabela 11 - Tabelas Durezas - Média e Desvio Padrão - Cementação - Amostra 1 - Aço ST 37.2

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Instituto de Emprego e Formação Profissional Centro de Formação Profissional de Setúbal Têmpera Após a Cementação, procede-se ao tratamento térmico de Têmpera, que consiste num aquecimento e arrefecimento brusco da peça e serve para aumentar a rigidez das ligas. Assim, a peça é submetida a uma temperatura de 900°C num patamar de 30 minutos e de seguida é feito um arrefecimento brusco em água. Este tratamento serve para aumentar a resistência mecânica e a dureza da amostra. Concluído o tratamento, procede-se a uma ligeira limpeza mecânica de forma a retirar a sujidade presente na amostra após o tratamento através de lixa de 120GR e álcool isopropílico. Após a limpeza, procede-se á medição das durezas, de forma a obter uma comparação entre os tratamentos aplicados na amostra.


Face 1 (M) 571 640 508


718 728 719

532 594 498

479 757 680

737 538 706


630,72 93,34

Tabela 12 - Tabelas Durezas - Média e Desvio Padrão - Têmpera - Amostra 1 – Aço ST37.2

Revenido O Revenido é um tratamento térmico aplicado sempre após uma têmpera, quando a temperatura do forno se apresenta igual ou abaixo de 70°C para alívio de tensões, aumento da ductilidade e elasticidade. Assim, este tratamento é efectuado na amostra previamente cementada e temperada. A amostra é introduzida no forno a uma temperatura de 250°C num patamar (obtido através da espessura da amostra – sendo 1 hora por cada 25mm de espessura da amostra,) de 2 horas e com o arrefecimento ao ar, mais propriamente no forno com a porta completamente aberta. Concluído o tratamento procede-se a uma ligeira limpeza mecânica na peça através de uma lixa de 120GR e de álcool isopropílico.

24

Instituto de Emprego e Formação Profissional Centro de Formação Profissional de Setúbal Feito isto, procede-se á medição das durezas na amostra para efectuar uma comparação entre os diversos tratamentos aplicados.


Face 1 (M) 610 600 539


564 581 603

536 541 522

469 688 623

537 562 608


570,17 48,60

Tabela 13 - Tabelas Durezas - Média e Desvio Padrão - Revenido – Amostra 1 - Aço ST37.2

Ilustração 9 - Amostra 1 - ST37.2 - Após Cementação, Têmpera e Revenido

Amostra 2 de Aço ST37.2 Na 2ª amostra de aço ST37.2 após todos os tratamentos mecânicos de limpeza á peça, seguem-se os tratamentos térmicos de Têmpera seguida de Revenido, estando estes descritos abaixo como podemos verificar. Têmpera O tratamento térmico de Têmpera, consiste num aquecimento e arrefecimento brusco da peça e serve para aumentar a rigidez das ligas. Assim, a peça foi submetida a uma temperatura de 900°C num patamar de 30 minutos e logo de seguida foi feito um arrefecimento brusco em água. Este tratamento serve para aumentar a resistência mecânica e a dureza da amostra. Concluído o tratamento, procede-se a uma ligeira limpeza mecânica de forma a retirar a sujidade presente na amostra após o tratamento através de lixa de 120GR e álcool isopropílico. Após a limpeza, procede-se á medição das durezas, de forma a obter uma comparação entre os tratamentos aplicados na amostra.


Face 1 (M) 341 385 271


376 422 407

313 393 285

400 428 439

380 386 370


386,83 57,22

Tabela 14 - Tabelas Durezas - Média e Desvio Padrão - Têmpera - Amostra 2 - Aço ST37.2

25

Instituto de Emprego e Formação Profissional Centro de Formação Profissional de Setúbal Revenido O Revenido é um tratamento térmico aplicado sempre após uma têmpera, quando a temperatura do forno se apresenta igual ou abaixo de 70°C para alívio de tensões, aumento da ductilidade e elasticidade. Assim, este tratamento é efectuado na amostra previamente temperada, tendo sido esta introduzida no forno a uma temperatura de 250°C num patamar (obtido através da espessura da amostra – sendo 1 hora por cada 25mm de espessura da amostra) de 2 horas e com o arrefecimento ao ar, mais propriamente no forno com a porta completamente aberta. Concluído o tratamento procede-se a uma ligeira limpeza mecânica na peça através de uma lixa de 120GR e de álcool isopropílico. Feito isto, procede-se á medição das durezas na amostra para efectuar uma comparação entre os diversos tratamentos aplicados.


Face 1 (M) 347 460 282


465 408 440

348 420 368

372 443 364

391 410 337


394,6 51,19

Tabela 15 - Tabelas Durezas - Média e Desvio Padrão - Revenido - Amostra 2 - Aço ST37.2

Ilustração 10 - Amostra 2 - CK45 - Após Têmpera e Revenido

26


Analise dos Resultados do Aço CK45 CK45 Peça MP1 Peça MP2 Peça MP3 Base 455,5 434,6 433,8 Recozimento 411,1 0 0 Têmpera 0 712 0 Revenido 0 676,6 0 Normalização 0 0 440,55

CK45 Base Recozimento Têmpera Revenido Normalização

Peça MP1 15,97 14,87 0 0 0

Peça MP2 17,98 0 54,62 21,89 0

Peça MP3 21,77 0 0 0 16,02

Tabela 16 - Tabela Comparação da Média - Aço CK45/ Tabela 17 - Tabela Comparativa Desvio Padrão Aço CK45

Gráfico Média Aço CK45 800 700 600 500 400 300 200 100 0

Gráfico Desvio Padrão Aço CK45 60 50 40 30 20 10 0

Peça MP1

Peça MP2

Peça MP3

Peça MP1

Peça MP2

Peça MP3

Na amostra 1 do aço CK45, verifica-se que existe uma diminuição da dureza HL, bem como do desvio padrão após o Recozimento na amostra, pois a sua dureza inicial era de 455,5 e o desvio padrão de 15,97 e após o tratamento baixou para 411,1 e 14,87 respectivamente. Visto que o recozimento aumenta consideravelmente a capacidade de alongamento e de estricção, esta amostra poderá ter sofrido um ligeiro aumento de ductilidade. Na amostra 2 do aço CK45, verificou-se depois do tratamento térmico de Têmpera um grande aumento tanto de dureza como de desvio padrão, quase para o dobro, sendo o valor inicial de 434,6 de dureza e de 17,98 para o desvio padrão. E o valor depois de temperada de 712 e 54,62 respectivamente. Quanto ao revenido efectuado logo de seguida, pode-se verificar que houve uma ligeira diminuição da sua dureza para 676,6 e do desvio padrão para 21,89 o que poderá significar um aumento na resistência. Na amostra 3 do aço CK45, verificou-se que se obteve o resultado desejado com a Normalização, ou seja, o aumento da dureza de 433,8 para 440,55. Tendo apenas o desvio padrão diminuído de 21,77 para 16,02, o que se pode comprovar como um aumento na dureza. 27


Analise de Resultados do Aço ST37.2 ST37.2 Base Cementação Têmpera Revenido

Peça MP1.1 Peça MP2.1 300,8 313,3 410,7 0 630,7 386,8 570,2 394,6

ST37.2 Base Cementação Têmpera Revenido

Peça MP1.1 33,43 30,19 93,3 48,6

Peça MP2.1 32,41 0 57,22 51,19

Tabela 18 - Tabela Comparação de Média - Aço ST37.2/Tabela 19 - Tabela Comparação de Desvio Padrão - Aço ST37.2

Gráfico Média Aço ST37.2

Gráfico Desvio Padrão Aço ST37.2

800 600

100 80 60 40 20 0

400 200 0

Peça MP1.1

Peça MP2.1

Peça MP1.1

Peça MP2.1

Na amostra 1 do aço ST37.2 verificou-se um aumento da dureza de 300,8 para 410,7 e uma diminuição do desvio padrão de 33,43 para 30,19, o que demonstra que foi depositado Carbono na amostra conforme esperado. No revenido verificou-se um enorme aumento tanto na dureza como no desvio padrão sendo os valores de 630,7 e 93,3 respectivamente. Visto isto, pode-se concluir que houve um aumento na resistência mecânica. Logo após a Têmpera foi efectuado o Revenido, tendose verificado uma diminuição tanto na dureza como no desvio padrão, sendo os valores de 570,2 e 48,6, isto deve-se ao facto do Revenido aliviar as tensões no material. Na amostra 2 do aço ST37.2 verificou-se um aumento tanto na dureza como no desvio padrão, tendo os valores aumentado de 300,8 para 386,8 e de 32,41 para 57,22 respectivamente, o que poderá significar um aumento na dureza e na resistência mecânica do material. Tendo sido realizado logo de seguida o tratamento térmico de Revenido, um aumento na dureza e uma diminuição no desvio padrão, sendo os valores de 394,6 e de 51,19, pode-se concluir que houve um alivio nas tensões do material e uma correcção nas durezas no f inal do processo. 28


Conclusao Visto que o objectivo deste trabalho prático era aplicar os tratamentos mecânicos, térmicos e termoquímicos e analisar a influência destes sobre condições controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de arrefecimento nas amostras de aço CK45 e ST37.2.

Pode-se concluir que: - A Têmpera tem papel fundamental no sentido de garantir o aumento de resistência mecânica e de dureza. - O Revenido é um tratamento térmico aplicado aos aços que foram temperados, com o objectivo de aliviar as tensões e corrigir a dureza obtida no final do processo. - A Normalização consiste no aquecimento do aço a uma temp eratura acima da zona crítica, seguido de arrefecimento ao ar. - O Recozimento tem um papel fundamental na construção mecânica quando se trata de obter características de baixa dureza e elevada ductilidade nas l igas metálicas. - A Cementação aumenta a dureza e a resistência ao desgaste, mantendo o núcleo dúctil e tenaz e uma maior resistência ao impacto e à fadiga.

Conclui-se então que os principais objectivos dos tratamentos térmicos dos aços envolvem: - Remoção de tensões residuais decorrentes de processos mecânicos de conformação ou térmicos; - Refino da microestrutura (diminuição do tamanho de grão); - Aumento ou diminuição de dureza e da resistência mecânica; - Aumento da ductilidade e melhoria da usinabilidade; - Aumento da resistência ao desgaste e melhoria da resistência á corrosão; - Melhoria da resistência a fluência; - Modificação de propriedades eléctricas e magnéticas. 29

Instituto de Emprego e Formação Profissional Centro de Formação Profissional de Setúbal Assim, pode-se concluir que estes foram bem-sucedidos, pois os objectivos pretendidos com os tratamentos foram alcançados, tanto em termos de dureza como de desvio padrão.

Comentarios/Sugestoes Relativamente á estrutura do relatório esta devia ser melhorada, pois torna-se confusa quando se tratam de peças com tamanhos, dimensões e características iguais. Gostava de ver realizados outro tipo de trabalhos noutro tipo de materiais para obter uma maior abrangência de conhecimentos tanto teóricos como práticos.

Webgrafia Links: Aços: www.favorit.com.br/ Aço: http://www.cdcc.usp.br/ciencia/artigos/art_22/aco.html Aço: http://pt.wikipedia.org/wiki/A%C3%A7o Tratamentos Térmicos: Termico-e-Superficial

http://pt.scribd.com/doc/29305076/Tratamento-

Tratamentos termicos

http://pt.scribd.com/doc/75496189/tratamentos-

Térmicos:

PDF’S:

- Relatorio-Trabalho-Pratico-FT32-Processos-Especiais-Prevencao-Contra-a- Corrosao-PAME003; - ISSUU-Acos-Ligas-Especiais-Isb; - Relatório-Metal Instituto Politécnico de Bragança - Mecânica dos materiais; - FEPI -Trabalho-Acos-Ferramenta; - Catálogo Mecânico PI 2008-2009; - Mecânica- Tratamentos Térmicos - CPM - Programa de Certificação de Pessoal de Manutenção - Tratamentos Térmicos e Termoquímicos Dos Aços – Capítulo 6 30


Glossario Austenização - austenite é o ponto de partida para vários tratamentos térmicos nas ligas de ferro, pois partindo da austenite é possível a transformação da liga em vários microconstituintes, como por exemplo a têmpera que consiste na transformação da austenite em martensite por meio de um rápido resfriamento da peça tratada termicamente. Ligas metálicas - são materiais com propriedades metálicas que contêm dois ou mais elementos químicos sendo que pelo menos um deles é metal. Apesar da grande variedade de metais existentes, a maioria não é empregada em estado puro, mas em ligas com propriedades alteradas em relação ao material inicial, o que visa, entre outras coisas, a redução dos custos de produção. Ductibilidade - é a propriedade que representa o grau de deformação que um material suporta até o momento de sua fractura. Forja - é uma fornalha de que se servem os ferreiros e outros artífices para incandescer os metais para serem trabalhados numa bigorna. Neste sistema o ferreiro atua no metal aquecido a fim de gerar uma forma desejada. A principal acção é a deformação da estrutura inicial. Posteriormente segue-se para o tratamento térmico para conferir ao metal as qualidades desejadas.

Laminação - Processo de reduzir a espessura de uma chapa, barra ou perfil metálico por meio da sua passagem entre dois ou mais cilindros girantes, com separação menor que a espessura de entrada. A barra é "puxada" pelos cilindros devido às forças de atrito entre as superfícies. O montante da redução é limitada pelas potências dos motores, e resistência mecânica dos cilindros, mancais, eixos e redutores. Extrusão - é um processo de produção de componentes mecânicos de forma semi - contínua onde o material é forçado através de uma matriz adquirindo assim a forma pré determinada pelo projectista da peça. Usinabilidade – propriedade do material em que, através de um ou mais processos mecânicos, permite trabalha-la como matéria-prima para remoção de peças mais pequenas. Soldabilidade - Capacidade de um material ser soldado, sob condições de fabricação obrigatórias a uma estrutura especifica adequadamente projetada, e de apresentar desempenho satisfatório em serviço. 31

Relatório Aço CK45 e ST37.2

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