Tratamentos térmicos de têmpera e de austêmpera : efeito sobre as propriedades mecânicas e metalúrgicas do aço SAE 4150

Abstract

A austêmpera é um processo de tratamento térmico que envolve resfriamento controlado dentro de faixas de temperatura específicas. Para isso, faz-se o uso de banhos de sais, os quais podem conter substâncias químicas nocivas ou poluentes, como nitratos, nitritos, carbonatos e cloretos. Para controlar os efeitos deletérios dessas substâncias, existem regulamentações em vigor regidas pela Lei 12.305 - Política Nacional de Resíduos Sólidos de 2 de agosto de 2010. Além desta lei, há normas estabelecidas pelos órgãos do sistema nacional que normalizam o uso industrial. Além dessas restrições ambientais, a manipulação inadequada de sais representa sérios riscos para a saúde e segurança dos trabalhadores. Diante destes fatos, muitas empresas buscam alternativas para substituição do processo de austêmpera. O objetivo deste trabalho é explorar alternativas de tratamento térmico, que não empreguem agentes nocivos, para substituição do processo de austêmpera do aço SAE 4150 e avaliar a influência sobre propriedades mecânicas do mesmo. Para isso foi realizado o processo de têmpera (aquecimento até 860°C por 40 minutos, 860°C por 30 minutos e resfriamento imediato com taxa de 95 – 105°C/s. Atmosfera aproximada do forno é 20% de CO, 40% de N2 e 40% de H2). Para o processo de austêmpera (pré-aquecimento a 400°C por 20 minutos, forno de austenitização a 840°C por 10 minutos, forno de austêmpera a 320°C por 30 minutos, resfriamento em água. Revenimento a 510°C por 2 horas. As microestruturas resultantes dos tratamentos térmicos foram: bainita (obtida pelo processo de austêmpera) e martensita (obtida pelo processo de têmpera). Foram realizadas análises metalúrgicas e mecânica (conforme as normas ABNT NBR ISO 148-1:2013 e ABNT NBR ISO 6892-1:2013) das amostras. Como resultado, foi verificado que os processos de tratamento térmico empregados permitiram obter a mesma faixa de dureza (41- 42HRc) após o revenimento. Para a amostra que apresentou uma estrutura bainítica revenida, em relação àquela com estrutura martensítica revenida, observou-se um aumento de 10% no alongamento, uma redução de 4% na resistência à tração e uma redução de 32% na energia absorvida. Em resumo, os resultados expressam que diferentes processos de tratamento térmico têm influência direta nas propriedades mecânicas das amostras. Como resultado deste trabalho, constata-se que o processo de austêmpera revenida pode ser substituído pelo processo de têmpera com revenimento, pois este possui resultados superiores de limite de tensão de resistência e energia absorvida para aplicações que necessitem de alongamento superior a 6,5%.

Austempering is a heat treatment process that involves controlled cooling within specific temperature ranges. Usually, salt baths are used, which may contain harmful chemical substances or pollutants, such as nitrates, nitrites, carbonates and chlorides. To control the effects of these substances, there are government regulations, such as Law 12.305 - National Solid Waste Policy of August 2, 2010. In addition to this law, there are standards established by the national system that normalize industrial use. In addition to these environmental restrictions, improper handling of salts poses serious risks to the health and safety of workers. Given these facts, many companies are researching alternatives to replace the austempering process. The objective of this work is to evaluate the influence of quenching heat treatment compared to austempering treatment on the mechanical properties of SAE 4150 steel. For this purpose, the quenching process was performed (heating up to 860°C for 40 minutes, 860°C for 30 minutes and immediate cooling at a rate of 95 – 105°C/s). The approximate furnace atmosphere is 20% CO, 40% N2 and 40% H2). For the austempering process, preheating at 400°C for 20 minutes, austenitizing at 840°C for 10 minutes, austempering at 320°C for 30 minutes, cooling in water were performed. Tempering at 510°C for 2 hours for all samples. The microstructures resulting from the heat treatments were: bainite (obtained by the austempering process) and martensite (obtained by the quenching process). Metallurgical and mechanical properties were analyzed (in accordance with ABNT NBR ISO 148-1:2013 and ABNT NBR ISO 6892-1:2013). As a result, it was verified that the heat treatment processes used allowed obtaining the same hardness range (41- 42HRc) after tempering for the sample that presented a tempered bainitic structure, in relation to that with a tempered martensitic structure. A 10% increase in elongation, a 4% reduction in tensile strength, and a 32% reduction in absorbed energy were observed. In summary, the results were that different heat treatment processes have a direct influence on the mechanical properties of the samples. As a result of this study, we can verify that the tempering austempering process can be replaced by the tempering quenching process, as this has superior results in terms of resistance tension limit and absorbed energy for applications that require elongation greater than 6.5%.