têmpera superficial por indução e por chama

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TÊMPERA SUPERFICIAL POR INDUÇÃO E POR CHAMA
- ASPECTOS PRÁTICOS -
Através da têmpera por indução e por chama consegue-se um efeito similar ao do
tratamento de cementação e têmpera, quando se compara a dureza, resistência
ao desgaste e condições de tensões residuais. Entretanto pode-se restringir o
tratamento a áreas específicas das peças, as distorções são consideravelmente
menores e é possível tratar peças de grande porte.
O objetivo principal da têmpera superficial é o aumento da resistência à fadiga.
Para isto pode-se utilizar três métodos distintos: têmpera progressiva, rotativa e
estacionaria.
A dureza superficial e a profundidade de têmpera são funções do material
utilizado e de sua respectiva temperabilidade. Para que as distorções sejam
minimizadas deve-se tomar alguns cuidados com o projeto e com o tratamento
térmico preliminar das peças.
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I - INTRODUÇÃO
Na têmpera superficial a camada externa de um componente, feito de um aço
temperável, é austenitizada e imediatamente resfriada, e conseqüentemente
temperada. Através deste tratamento térmico consegue-se um efeito similar ao do
tratamento de cementação e têmpera, quando se compara a dureza, resistência
ao desgaste e condições de tensões residuais. Entretanto pode-se restringir o
tratamento a áreas especificadas das peças, as distorções são consideravelmente
menores e é possível tratar peças de grande porte.
Os processos de têmpera superficial diferem em função das fontes de energia
utilizadas. Os processos mais usuais e que serão comentados neste trabalho são a
têmpera por indução e chama.
Na têmpera por indução, a energia necessária é fornecida na forma elétrica.
Um conversor fornece corrente alternada de alta freqüência para uma bobina
(indutor) que induz uma corrente parasita na superfície da peça aquecendo-a
rapidamente. A temperatura depende da potência disponível e do tempo de
aquecimento. A profundidade de austenitização é basicamente determinada
pela freqüência utilizada.
A têmpera por chama utiliza o calor radiante resultante da combustão de um
gás (ex. propano, butano, gás natural, etc.) com oxigênio para aquecimento da
superfície da peça. A condutividade térmica do aço não é suficiente para que
a grande quantidade de energia fornecida seja conduzida para o centro do
componente.
Deste modo a temperatura superficial aumenta rapidamente, com pequeno
aumento da temperatura do núcleo.
II - MÉTODOS DE TÊMPERA SUPERFICIAL
A têmpera por indução e chama pode ser dividida em três métodos (Figura 1):
• Têmpera progressiva
• Têmpera rotativa
• Têmpera estacionaria
No método de têmpera progressiva a fonte de energia (indutor ou queimador) é
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acoplada à ducha de resfriamento e ambas são guiadas longitudinalmente sobre
a superfície da peça. Com isto somente uma zona estreita é progressivamente
aquecida e imediatamente resfriada.
Como este processo depende do perfil da peça o indutor ou queimador deve ser
construído de forma precisa para se obter os melhores resultados possíveis com
a têmpera.
Na têmpera rotativa a peça gira entre o indutor ou queimadores até que se atinja a
temperatura de têmpera na profundidade desejada. O resfriamento ocorre numa
segunda operação através da imersão da peça num tanque de resfriamento.
III - TÊMPERA DENTE A DENTE DO FLANCO
Através deste método, somente a resistência à fadiga no flanco do dente é
aumentada diminuindo assim a formação de “pittings”. Em baixas rotações o
desgaste por abrasão, que é função da dureza, é substancialmente reduzido,
enquanto que em altas rotações a tendência a escarvar é eliminada.
Como este método aumenta somente a resistência à compressão do flanco do
dente, as engrenagens devem ser projetadas de modo que a resistência à fadiga
da raiz do dente seja garantida pela resistência do material e pela seção da raiz
do dente.
A resistência à fadiga do flanco do dente por tensões alternadas, é função da dureza
superficial e, até certo nível, da profundidade de têmpera. Para engrenagens
somente normalizadas, com durezas entre 120 a 320 HB, a resistência à fadiga
superficial é de 300 a 750 N/mm2, enquanto que para flancos temperados com
durezas entre 630 a 680 HV a resistência aumenta para 1200 a 1350 N/mm2 (1).
Com intuito de se evitar o “spalling” e o “pitting”, deve-se alcançar uma certa
profundidade de têmpera no flanco do dente, que é recomendada pela literatura
como sendo igual a 0,3 x módulo. Se este valor pode ou não ser alcançado,
depende muito do perfil, do material, e principalmente do módulo. A têmpera
dente a dente do flanco pode ser executada por indução a partir do módulo 5 e
por chama a partir do módulo 7.
IV - TÊMPERA DENTE A DENTE DO FLANCO E RAIZ
Com este método não somente os dois flancos dos dentes opostos são temperados,
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mas também a raiz do dente. Em função das tensões residuais resultantes, a
resistência à fadiga na raiz do dente por esforços de flexão é aumentada. Esta
aumenta proporcionalmente à dureza superficial, porém somente até durezas de
aproximadamente 50 a 55 HRC. Nesta dureza a resistência à fadiga é em torno
de 650 N/mm2 para um aço SAE 4140. Com especial atenção para a pureza do
material e tratamento térmico pode-se atingir valores de resistência à fadiga por
flexão de aproximadamente 800 N/mm2 para ações mais ligados.
A figura 2 mostra a profundidade de dureza no flanco e na raiz do dente de uma
engrenagem e de um pinhão de módulo 15 temperados.
Com intuito de se obter o melhor resultado possível com a têmpera do flanco e
da raiz, deve-se, inicialmente tratar com corpo de prova para verificar o indutor
ou queimador e para determinar se a profundidade de têmpera requerida na raiz
foi alcançada, e principalmente, se a profundidade de têmpera é suficiente na
zona de transição entre o flanco e a raiz do dente. Se não for o caso, pode ocorrer
neste ponto um efeito de entalhe e pequenas trincas superficiais, resultantes
podem produzir trincas mais profundas.
Este método pode ser utilizado por indução a partir do módulo 7 e por chama a
partir do módulo 16.
V - TÊMPERA ROTATIVA
A têmpera rotativa é um método utilizado para aumentar a resistência à fadiga
tanto do flanco como da raiz do dente, através da têmpera total do dente até
uma profundidade de aproximadamente 2 a 5 mm abaixo da raiz. A resistência à
fadiga da raiz do dente é igual a da têmpera dente a dente do flanco e raiz.
A têmpera rotativa por chama pode ser considerada um método seguro e flexível.
Engrenagens de módulo 1 até módulo 20, diâmetro até 2000 mm e altura até 400
mm podem ser temperadas. Já a têmpera rotativa por indução das engrenagens
está limitada a pequenos diâmetros de até 350 mm em função da limitação da
potência do conversor.
VI - MATERIAIS ADEQUADOS E DUREZA SUPERFICIAL
Os materiais utilizados para as peças a serem temperadas por chama e indução
são idênticos e estão listados na tabela 1.
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A máxima dureza superficial atingível depende basicamente da quantidade de
carbono que é solubilizada na temperatura de têmpera. Uma quantidade de
carbono de 0,3%, a dureza atingida é de aproximadamente 50 HRC e para 0,5%
a dureza de 60 HRC.
Como não ocorre um efeito de cementação durante a têmpera por chama e
indução, o material deve ter o carbono necessário para a requerida dureza antes
do tratamento. Quando se utiliza materiais para cementação, estes devem ser
cementados antes, obrigatoriamente.
Durante o resfriamento a velocidade crítica de resfriamento deve ser alcançada
para que a austenita seja transformada totalmente em martensita. No caso de
materiais não ligados, o resfriamento deve ser feito quase sempre em água.
VII - PROFUNDIDADE DE TÊMPERA
A profundidade de têmpera atingível depende basicamente de dois fatores da
profundidade de aquecimento e da temperabilidade do material.
Na têmpera por indução a profundidade de aquecimento é função da freqüência e
da potência utilizadas. Fatores importantes também são o tempo de austenitização
e a densidade de potência em KW/cm2.
No caso da têmpera por chama, a profundidade de aquecimento é influenciada
pelo tempo de austenitização, a distância entre os queimadores e a peça e a
quantidade de energia fornecida. Com intuito de obter a profundidade de têmpera
requerida o material deve possuir também a temperabilidade necessária, que não
depende somente da composição química, mas também de sua estrutura original.
Esta estrutura deve ser homogênea resultante de recozimento, normalização ou
beneficiamento.
No geral pode-se dizer que com materiais não ligados, a máxima profundidade
de têmpera é de 2 a 4 mm, logo, quando se necessita maiores profundidades,
deve-se usar materiais ligados.
Elemento de liga
1,5 manganês
Cromo-molibdênio
Cromo-níquel-molibdênio
prof. Têmpera atingível
3 a 6 mm
4 a 12 mm
4 a 20 mm
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VIII - ASPECTOS PRÁTICOS
- Distorções
Distorções sempre ocorrerão em qualquer tratamento térmico divido às tensões
térmicas de aquecimento e de resfriamento, e divido as variações volumétricas do
material em função da transformação da estrutura. A magnitude das distorções é
importante, pois influencia diretamente nos custos de retífica final. Na têmpera
superficial consegue-se valores menores de distorções, devido as menores tensões
térmicas e ao suporte dado pelo núcleo rígido e não aquecido.
Além das tensões residuais, as distorções dependem também da dimensão e
geometria da peça a ser temperada: engrenagens com forma de disco apresentam
distorções menores; engrenagens na forma de anel e engrenagens com nervuras,
poderão apresentar os dentes côncavos, convexos ou cônicos, após o tratamento
térmico dependendo do seu arranjo construtivo.
A experiência mostra que as engrenagens fabricadas a partir de anéis devem
apresentar as seguintes espessuras mínimas (abaixo da raiz do dente), para que
as distorções sejam minimizadas:
métodos
têmpera do flanco
têmpera do flanco e raiz
têmpera rotativa
espessura mínima
1
x altura do dente
1,5
x altura do dente
2 a 3 x altura do dente
- Tratamentos preliminares recomendados
Deve-se executar sempre que possível um recozimento para alívio de tensões
nas peças antes de serem temperadas, para se remover as tensões internas, que
de outro modo, seriam aliviadas durante o processo de têmpera podendo gerar
distorções.
Recomenda-se o seguinte procedimento na fabricação de uma engrenagem, a
ser temperada superficialmente, com intuito de minimizar as distorções:
• Normalização o material ou beneficiar para a dureza de núcleo especificada.
• Desbastar o corpo e região a ser temperada superficialmente
• Aliviar tensões
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• Acabar região a ser temperada
• Temperar
• Retificar
- Fatores produtivos/econômicos
Não existe uma regra geral que determine, sob ponto de vista produtivo/
econômico, qual dos processos é mais recomendado.
A seleção do processo e do método empregado deve ser analisada caso a caso,
devendo ser levado em consideração as especificações técnicas, a geometria/
dimensões da peça, a localização da têmpera e capacidade do equipamentos
disponíveis.
IX - CONCLUSÃO
O objetivo principal da têmpera por indução e por chama é aumentar a resistência
ao desgaste e a resistência à fadiga do componente.
A têmpera superficial é tão mais vantajosa quanto menor a área a ser temperada
proporcionalmente a área total do componente.
Quando se compara com outros processos de tratamento térmico como têmpera
total, cementação e nitretação, que são processos especialmente adequados para
produção em massa, a têmpera superficial apresenta as principais vantagens:
• Pode-se restringir a área temperada a quase todas as partes do
componente.
• Comparando com a cementação, consegue-se maiores profundidades
de têmpera e as tensões térmicas são menores, o que tem efeito positivona
distorção.
• Áreas localizadas fora da zona temperada podem ser acabadas após o
processo de têmpera, sem custos adicionais.
• Pode-se temperar peças de grande porte, sem necessidade de grandes
fornos ou instalações.
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BIBLIOGRAFIA
- Brunke, H; Ommerborn, K – Surface hardening of gears inductively and by flame
Paul Ferd. Peddinghaus – Alemanha.
- Benkowsky, G – Induktionserwarmung, 5ª edição, Verlag Technik Gmbh, Berlin,
1990.
- Metals Hardbook – Volume 4 – 9ª edição pags 451 a 506 – 1981.
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TABELA 1 - Materiais para têmpera superficial por indução e chama
Material
Dureza (HRC)
Profundidade de
têmpera máxima (mm)
50 + 3
55 + 3
58 + 3
3,0
3,0
3,0
54 + 3
56 + 3
52 + 3
50 + 3
52 + 3
60 + 3
5,0
5,0
10,0
10,0
15,0
6,0
52 + 3
4,0
45 + 3
50 + 3
54 + 3
3,0
3,0
3,0
Aço Carbono
1045
1050
1060
Aço Ligado
5135
5140
4140
6150
4340
52100
Aço Inoxidável
420
Ferro Fundido
cinzento perlítico
maleável
nodular
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Figura 1 - Métodos de têmpera superficial de engrenagens
Figura 2 - Profundidade de têmpera em uma engrenagem e um
pinhão módulo 15. Temperados Dente a Dente
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dureza (HRC)
70
60
50
40
30
20
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
porcentagem de carbono (%)
Figura 3 - Dureza superficial em função da
quantidade de carbono do material
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