Ninguém gosta de surpresas na fabricação e isso é especialmente verdadeiro durante o tratamento térmico. Para evitá-las, a nossa atenção é frequentemente focada no tipo de material que nos é fornecido e nas variáveis de processo/equipamento que devemos controlar. O que muitas vezes não consideramos é a condição da matéria-prima recebida. A este respeito, o resultado da segregação e do bandeamento da liga após o tratamento térmico pode causar um problema considerável entre o tratador térmico e o seu cliente. Vamos aprender mais.
Muitas pessoas acreditam que os aços são classificados apenas por sua composição química. Na verdade, são de grande importância: o processo de produção de aço utilizado; o processo de lingotamento empregado (lingotamento convencional ou contínuo); o tamanho/formato dos semiacabados (blocos, tarugos ou placas) ou dos produtos acabados (placas, folhas ou barras); e as propriedades necessárias para a aplicação final.
Segregação
Os aços não são quimicamente homogêneos, eles não têm uma composição química uniforme em toda a área da seção transversal de suas formas manufaturadas. Quando um aço é fundido, o primeiro material a solidificar é o posicionado na zona exterior, adjacente à parede do molde (esta zona da superfície é referida como zona coquilhada). Isto resulta em uma camada fina de cristais equiaxiais com a mesma composição que o metal líquido. Estes cristais continuam a crescer para dentro, como grãos colunares e de uma forma dendrítica, paralelos ao gradiente térmico. Finalmente, a solidificação termina quando a temperatura do líquido cai e os grãos vizinhos incidem um sobre o outro na zona central da forma fundida (Fig. 1).
O processo de solidificação causa um particionamento de elementos químicos tanto macroscópico como microscópico conforme o metal líquido resfria. Macroscopicamente a segregação ocorre na linha central de produtos de forma contínua e no topo e na base dos lingotes. Microscopicamente a segregação ocorre entre as dendritas em toda a seção solidificada. O trabalho mecânico a quente subsequente (por exemplo, a laminação) cria faixas (bandas) longitudinais com variação na composição química.
Microssegregação é a diferença na composição química entre o centro da dendrita (isto é, o núcleo dendrítico) e a região entre os braços dendríticos. O primeiro líquido a solidificar (no centro da dendrita) será mais rico em elementos de liga se a adição de elemento de liga aumentar a temperatura de fusão, ao passo que a área com elementos de liga (ou seja, rica em soluto) será concentrada nas regiões interdendríticas se a adição de elementos de liga reduzir a temperatura de fusão.
No tratamento térmico a segregação da liga pode produzir diferenças na temperabilidade do aço. A diferença de dureza entre as regiões ricas e pobres em elementos de liga pode se manifestar por meio da criação de áreas mais duras e mais moles, de martensita e da transformação mista de produtos como a bainita.
Bandeamento
O bandeamento é causado pela segregação de elementos de liga durante a solidificação. As operações subsequentes de trabalho a quente resultam em um alinhamento da segregação na direção de trabalho, o qual resulta no surgimento de bandas delineadas na microestrutura. A distribuição da microssegregação (em aços trabalhados) depende da quantidade de deformação utilizada para conformar a peça. As taxas de difusão dos elementos de liga no aço controlam a homogeneização do fundido. Por exemplo, o cromo e o molibdênio são homogeneizados prontamente, enquanto o níquel homogeneíza-se muito lentamente. As bandas alternadas com variação da composição química resultam em diferentes microestruturas, orientadas paralelamente à direção de laminação do material (Fig. 2).
Tratamentos mecânicos e/ou térmicos adicionais para eliminar ou reduzir a microssegregação aumentam o custo de fabricação e, muitas vezes, não são considerados economicamente viáveis. Por exemplo, pode se conseguir um elevado grau de homogeneização com o tratamento do aço segregado a uma temperatura elevada (geralmente acima de 1.200°C) durante um tempo muito longo (até 100 horas ou mais, em alguns casos).
A causa primária do bandeamento é a segregação de elementos de liga substitucionais (por exemplo, manganês, cromo, molibdênio) durante a solidificação (dendrítica). A taxa de resfriamento, o tamanho de grão austenítico e a temperatura de austenitização também influenciam na severidade do bandeamento microestrutural.
O bandeamento ocorre em todos os aços. Enquanto o reaquecimento de produtos como fundidos e a laminação a quente tendem a reduzir a segregação química, outros fatores (relacionados com as transformações de fases no estado sólido e a solidificação residual) resultam em maior ou menor grau de bandeamento na microestrutura de todos os produtos de aço acabados.
Efeito do Bandeamento no Tratamento Térmico
Em geral, a dureza e a microestrutura serão fortemente influenciadas pela segregação e pelo bandeamento. As áreas ricas em elementos de liga tendem a se transformar em martensita ou bainita, enquanto as áreas pobres em elementos de liga apresentam um aumento nas quantidades de perlita e ferrita (devido às taxas de resfriamento mais lentas). Para peças cementadas a dureza da camada será impactada, particularmente, se houver altas concentrações de austenita retida ou bainita formadas na estrutura primariamente martensítica. Em algumas aplicações, a austenita retida se converte em martensita não-revenida em serviço (Fig. 3), resultando em variações de dureza e propriedades que podem causar variação dimensional ou até mesmo falha do componente.
As resistências à tração, ao escoamento e à fadiga tendem a não ser afetadas pela presença ou ausência de microssegregação, enquanto as propriedades de dutilidade e tenacidade são impactadas negativamente.
Como um exemplo, uma dureza irregular e propriedades mecânicas pobres podem ser o resultado de uma microestrutura segregada ou bandeada tendo quantidades significativas de perlita grosseira, ferrita grosseira ou agrupamentos de ferrita. Para austenitizar completamente estas estruturas no aquecimento por indução são necessários tempos e temperaturas mais altos e isto pode resultar em crescimento de grão, formação de martensita grosseira na têmpera, oxidação/descarbonetação da superfície e aumento das chances de distorção. Assim, o mais desejado para um endurecimento por indução é ter uma microestrutura com perlita fina ou temperada e revenida.
A segregação e o bandeamento podem ou não serem ruins para o produto final, mas os efeitos destas condições deveriam ser avaliados antes que a matéria-prima fosse tratada termicamente ou negada (na medida do possível) para que fossem para tratamentos térmicos apropriados (por exemplo, recozimento, normalização).
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Gustavo
6 de junho de 2020 at 23:43Gostaria de saber qual o nível de bandeamento aceitável para produtos acabados de 4140 antes do tratamento térmico