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A Dureza é importante como resposta ao tratamento térmico.

O Certificado de procedência do Aço é documento importante na relação cliente e fornecedor, visto que é parte determinante na qualidade do molde de injeção, principalmente no item cavidades. Muito mais, em casos de ferramentas de injeção complexas que exigem boa qualidade.

Os aços para construção de moldes devem enquadrar-se em condições de trabalho que estão sujeitos tanto nas usinagens quanto nos processos de injeção. Estes materiais precisam atender às altas exigências dos moldes plásticos, os mesmos serão submetidos a grandes pressões, atritos, compressões e drásticas modificações na estrutura geométrica através de ferramentas de corte e nos tratamentos térmicos.

O tratamento térmico aplicado a estes aços contribui demais durante e na finalização da fabricação, considerando se o uso apropriado dos materiais para cada tipo de componente do molde, de acordo com sua função.

Quando se compra a matéria prima, compra-se também informações como parte do processo para se efetuar o tratamento térmico adequado, por isso o prestador deste tipo de serviço deve ter qualidade.

A qualidade do aço vai estar comprometida se o tratamento térmico não seguir as instruções, do fabricante. No início de trabalho com usinagem das cavidades e posticos algumas ferramentarias retiram uma amostra do material para fins de conferir se o material utilizado atende aos requisitos de projeto, caso haja alguma intercorrência.

As vezes pode acontecer que um ferramenteiro ou até projetista de ferramentas preocupado com problemas de desgaste, exija elevadas durezas na têmpera. É um erro e a causa está em associar resistência ao desgaste com a dureza obtida pela têmpera.

A dureza obtida na têmpera é tão somente para elevar a resistência mecânica contra, por exemplo, amassamento. Durezas excessivas obtidas na têmpera, em geral, vão facilitar trincamento da ferramenta, devido à falta de tenacidade.

Um outro erro comum é associar, diretamente, aumento de dureza com aumento na resistência ao desgaste. Isso é verdadeiro até um certo limite. Na maior parte dos casos que envolvem aços ferramenta, muito mais eficiente que meramente aumentar a dureza, é modificar a natureza química da superfície, de modo a reduzir o coeficiente de atrito nas faces em contato.

Desgaste é um fenômeno de superfície, e como tal, deve ser tratada pela engenharia de superfícies, e não pelo tratamento térmico.

Existem muitas maneiras de, através de modificação da superfície da ferramenta, obter-se uma elevada resistência a desgaste. Dentre as mais eficientes destacamos a nitretação e os revestimentos PVD.

Considerações para Aço + Elementos de ligas.

Os aços correspondem às ligas ferrosas com teor de carbono (C) inferior a

2,0%, podendo ou não ter a adição de elementos de liga. Os elementos de liga mais

comuns aos aços são: manganês (Mn), cromo (Cr), níquel (Ni), molibdênio (Mo),

Vanádio (V) e tungstênio (W), entre outros.

Propriedades nos aços:

– Resistência à solicitação mecânica (tração, flexão, torção, fadiga, etc.),

– Resistência à fratura (tenacidade),

– Resistência ao desgaste,

– Resistência à corrosão, entre outras.

A otimização destas propriedades depende da combinação apropriada da quantidade e proporção de elementos de liga que são adicionados ao sistema Fe-C.

Em conjunto ao fator composicional, os aços podem ter sua estrutura interna modificada por tratamentos térmicos, cuja diversidade é responsável por um amplo espectro de combinação de propriedades. Entretanto, não deve ser esquecido que não existe fórmula mágica para se obter o máximo para todas as propriedades simultaneamente. Os elementos de liga têm como principais efeitos:

– Promover endurecimento por solução sólida,

– Elevar a temperabilidade,

– Formar carbonetos e nitretos,

– Promover endurecimento por precipitação,

– Elevar a resistência à corrosão

Estes efeitos podem ocorrer de forma isolada ou simultânea, dependendo da complexidade do sistema de liga utilizado. A resposta ao tratamento térmico, geralmente expressa na forma da dureza final do material depende da composição de cada aços.

A temperabilidade aumenta com o aumento do teor de carbono e elementos de liga. Isto faz dos aços ferramenta, aços de boa temperabilidade. Entretanto os processos industriais de têmpera devem considerar não apenas a velocidade resfriamento necessária para obter uma estrutura predominantemente martensítica, de elevada dureza, mas a influência da velocidade de resfriamento na estabilidade dimensional e nas tensões internas geradas, que podem por sua vez causar deformações e trincas, respectivamente. Assim, processos como têmpera em: água, óleo, banho de sal e alta pressão de nitrogênio em forno a vácuo possuem diferentes características de resfriamento e combinam dureza/deformação/tensão interna de forma diferente.

DIVERSOS CONCEITOS SOBRE ENSAIO DE DUREZA.

A dureza é uma propriedade mecânica cujo conceito está ligado à resistência que um material apresenta ao risco ou à formação de uma marca permanente quando pressionado por outro material ou por marcadores padronizados. Os métodos mais aplicados em engenharia, utilizam-se de penetradores de formato padronizado e que são pressionados na superfície do material sob condições especificas de carga, causando inicialmente deformação elástica e em seguida deformação plástica. A área de marca superficial formada ou sua profundidade é medida e correlacionada com um valor numérico que passa a representar a dureza do material.

A dureza dos materiais depende do tipo de forças de ligação entre átomos, íons ou moléculas e aumenta como a resistência mecânica, com a magnitude destas forças. Assim, os sólidos moleculares como os plásticos são relativamente macios, e os sólidos metálicos e iônicos são mais duros, enquanto os sólidos de ligação covalente são os materiais conhecidos de maior dureza. A dureza dos metais pode também ser aumentada, pela adição de soluto, trabalho frio, endurecimento por precipitação ou tratamentos térmicos específicos. Há uma ligação próxima entre o limite de escoamento de materiais e de sua dureza.
Os ensaios de dureza podem ser classificados em ensaios por penetração, choque ou risco.

Ensaios de dureza por risco:

Este tipo de ensaio é de pouca utilização para materiais metálicos mas de maior aplicação no campo da mineralogia. A dureza Mohs é a mais conhecida, e consiste em uma escala de 10 minerais padrões organizados de tal forma que o ultimo deles (diamante) risca de todos os outros, o mineral localizado imediatamente abaixo dele risca os que se seguem (safira) e assim sucessivamente terminando por aquele localizado no ponto 1 da escala, que é o talco. Como esta escala localiza os metais entre seus pontos 4 e 8, ela não permite uma definição adequada da dureza dos metais. A figura apresentada no final deste capítulo, mostra a Escala Mohs comparada com diferentes materiais e as durezas obtidas por outros métodos de ensaio.

Ensaios de dureza por choque:

Este ensaio é um dinâmico cuja impressão na superfície do material é causada pela queda livre de um êmbolo com uma ponta padronizada de diamante. Destes métodos destaca-se a dureza Shore, que se utiliza de uma barra de aço com uma ponto arredondada de diamante colocada dentro de um tubo de vidro com uma escala graduada de 0 a 140. Esta barra é liberada de certa altura padrão e a altura do rebote após o choque com a superfície do material, são assumidos como a dureza do material. O equipamento de dureza Shore é leve e portátil, sendo adequado à determinação de durezas de peças grandes como, por exemplo, cilindro de laminadores. Como a marca superficial deixada pelo ensaio é pequena é também indicada no levantamento da dureza de peças acabadas. 

Dureza Brinell:

Este ensaio consiste em comprimir uma esfera de aço de diâmetro D, através de uma carga P durante um tempo padronizado (geralmente 30 s), gerando uma calota esférica de diâmetro d, na superfície do material ensaiado. Esta superfície deve ser plana e polida e isenta de impurezas.

A dureza Brinelli é definida cmo a carga aplicada dividida pela área superficial da marca gerada na superfície do material, ou seja:

Embora a dureza Brinelli expresse unidades de carga/área, é pratica usual a utilização apenas do número representativo da dureza.
Na maioria os ensaios utiliza-se uma carga de 3000 kgf e uma esfera de aço de 10mm de diâmetro, entretanto para metais mais moles utiliza-se uma carga de 500 kgf para evitar a formação de uma impressão muito profunda. No caso de materiais muito duros, utiliza-se uma esfera de carboneto de tungstênio para evitar deformação na esfera padronizada. Pode-se também utilizar outros valores de carga e diâmetro de esfera desde que mantido o ângulo que o centro da esfera faz com a impressão. Esta condição é atendida para d1/D1 = d2/D2. o que observou-se que ocorre desde que:

P = constante
D²

O diâmetro da impresso formada deve ser medido por meio de microscópio ou lupa graduada e através de duas leituras, sendo uma a 90º da outra. Deve-se observar um afastamento mínimo de 2.5d das bordas do corpo de prova, uma espessura mínima de 10d e uma distancia entre impressões de no mínimo 5d.

Características de ensaio de dureza Brinell

• Para metais de grande capacidade de encruamento pode ocorrer um amassamento das bordas da impressão, e a leitura de um diâmetro maior do que o real (d’ > dr). No caso inverso, metais que tenham sido trabalhados a frio a ponto de apresentarem pequena capacidade de encruamento, pode ocorrer uma aderência do metal à esfera de ensaio com as bordas da calota esférica formada projetando-se ligeiramente para fora da superfície do corpo de prova provocando uma leitura de diâmetro menor que o real (d’ > dr).
• Devido ao tamanho da impressão formada o ensaio pode se considerado destrutivo
• Como a impressão formada abrange uma área maior do que as dos outros ensaios de dureza é a única indicada para materiais com estrutura interna não-uniforme, como por exemplo, o ferro-fundido cinzento.
• Não é um ensaio de dureza adequada para caracterizar peças que tenham sofrido tratamentos superficiais, como por exemplo, cementação.

Correlação entre dureza Brinell e limite de resistência à tração convencional

A existência de relações que permitam converter dureza em tensão é extremamente útil em situações onde é necessária uma estimativa da resistência de um material e não se dispõe de uma máquina de ensaio de tração, ou quando a situação for inversa. Existem relações experimentais que, embora não sejam necessariamente precisas, constituem ferramentas úteis, neste sentido. Como por exemplo:
su = a.HB

Onde su é expresso em kgf/mm², e a é uma constante experimental cujos valores para alguns materiais são relacionados abaixo:

Material:

• Aço carbono de baixo teor 0,36
• Aço carbono tratado térmica/e 0,34
• Aços liga tratado térmica/e 0,33
• Latão encruado 0,41
• Latão recozido 0,55
• Cobre reduzido 0,52
• Alumínio e suas ligas 0,40

Para durezas Brinell maiores que 380, a relação não deve ser aplicada pois a dureza passa a crescer mais rapidamente que o limite de resistência à tração. De qualquer forma é importante ressaltar que os valores determinados através da relação acima devem ser considerados apenas valores aproximados.
Estimativa de algumas propriedades metálicas de aços carbono em função de propriedades microconstituintes:

Microconstituintes: Dureza Brinell – HB
Ferrita 80
Perlita grosseira 240
Perlita fina 380

Exemplo:

Estimar a Dureza Brinell e o Limite de Resistência à tração de uma peça de aço ABNT 1020 resfriada ao forno.
Microconstituintes: ferrita + perlita grosseira

Aplicando-se a Regra da Alavanca para a composição 0,2% C no diagrama de equilíbrio FeC, tem-se:

75% de ferrita (a)
25% de perlita (P)

HB aço = % a.HB a – % P. HB P
= 0,75.80 + 0,25.240
HB aço = 120

Limite de Resistência à Tração (su):

su ˜ 0,36.HB
su ˜ 43,2 kgf/mm²

Comparação com valores encontrados em manuais técnicos

HB = 115
su = 41,5 kgf/mm²

Dureza Rockwell:

Este tipo de ensaio de dureza utiliza a profundidade de penetração sob ação de uma carga constante como a medida de dureza. Inicialmente é aplicada uma carga de 10kgf que se imcumbe de eliminar a ação de eventuais defeitos superficiais e de ficar o corpo de prova seguia da aplicação da carga total. A profundidade de penetração é correlacionada pela máquina de ensaio a um número arbitrário cuja leitura é feita diretamente na escala da máquina após a retirada da carga total mantendo-se entretanto, a carga inicial. A dureza Rockwell pode ser classificada como comum ou superficial, sendo esta última indicada para camadas endurecidas de pequena espessura ou lâminas (carga inicial de 3 kgf). Os penetradores padronizados consistem ou de pequenas esferas de aço (a mais utilizada tem diâmetro de 1,59mm) ou cone de diamante com ângulo de 120º e ponta ligeiramente arredondada. 

Determinação da profundidade de penetração no ensaio Rockwell

Penteador de diamante:

p = (100-HR). 0,002 (mm)

Penetrador esférico:

p = (130-HR). 0,002 (mm)

Superficial:

p = (100-HR). 0,001 (mm)

Exemplo: corpo de prova com dureza igual a 65 Rc

p = (100-65).0,002 = 0,07mm

Obs: na realização do ensaio recomenda-se que a espessura do corpo de prova seja no mínimo 10 vezes maior que a profundidade da impressão.

Vantagens do método Rockwell em relação ao Brinell:

• Rapidez de execução
• Isenção de erros pessoais, já que não exige leitura do tamanho da impressão
• Possibilidade de maior utilização para materiais duros.

Dureza Vickers:

É um método semelhante ao ensaio de Dureza Brindell, já que também relaciona na carga aplicada com área superficial da impressão. O penetrador padronizado é uma pirâmide de diamante de base quadrada e com um ângulo de 136º entre faces opostas. Este ângulo foi escolhido em função de sua proximidade com o ângulo formado no ensaio Brinell entre duas linhas tangentes às bordas da impressão e que partem do fundo desta impressão. 

A forma da impressão é a de um losango regular, cujas diagonais devem ser medidas através do microscópio acoplado à máquina de teste, e a média destas duas medidas utilizadas para a determinação da Dureza Vickers, dada pela expressão:

Onde:
P: carga aplicada [kgf]
L: média das diagonais medidas [mm]
?: 136º

Na utilização corriqueira do ensaio, a aplicação da relação que calcula VHN é desnecessária já que existem tabelas preparadas para fornecer o valor da Dureza Vickers a partir das diagonais da impressão formada. Para este método de ensaio, a carga pode variar de 1 a 200 kgf, sendo escolhida de tal forma que a impressão gerada no ensaio seja eficientemente nítida para permitir uma boa leitura das diagonais. Como o penetrador é indeformável a dureza obtida independe da carga utilizada, devendo apresentar o mesmo número representativo da dureza se o material for homogêneo.

Características do ensaio de Dureza Vickers:

• Escala contínua de carga
• Impressões extremamente pequenas
• Deformação nula do penetrador
• Escala única de dureza
• Aplicação a um amplo espectro de materiais
• Aplicação a qualquer espessura de corpo de prova
• Exigência de cuidadosa preparação do corpo de prova (polimento eletrolítico)
• Utilização industrial limitada em função da demora do ensaio
• Utilização ampla em pesquisa
• Indicado no levantamento de curvas de profundidade de têmpera e de cementação.

Microdureza:

Em algumas situações práticas ocorre a necessidade da determinação da dureza de pequenas áreas do corpo de prova. A medida do gradiente de dureza que se verifica em superfícies cementadas, a determinação da dureza individual de microconstituintes de uma estrutura metalográfica são alguns exemplos destas situações.

O ensaio de microdureza produz uma impressão microscópica e se utilizam de penetradores de diamante e cargas menores que 1 kgf. A microdureza Vickers utiliza o mesmo procedimento já relatado no item anterior.

Enquanto que a microdureza Knoop utiliza um penetrador de diamante na forma de uma pirâmide alongada que provoca uma impressão na qual a diagonal maior e a diagonal menor apresentam uma relação de 7:1. A profundidade da impressão é cerca de 1/30 da diagonal maior. A microdureza Knoop é calculada por:

HK = P = P = 14,23 P
Lp L²C L²

Onde:
P: carga aplicada [gf]
Ap: área projetada
L: comprimento da diagonal maior [mm]
c: constante do penetrador para relacionar Ap com L

Ao indicar a dureza, o valor calculado deve ser multiplicado por 10³, para compatibilizá-lo com a grandeza das demais durezas que se baseiam em uma relação carga/área. A área da impressão obtida no ensaio Knoop é cerca de 15% da área correspondente ao ensaio Vickers, enquanto que a profundidade da impressão é menor que a metade. O ensaio Knoop permite a determinação da dureza de materiais frágeis como o vidro e de camadas finas como películas de tintas ou camadas eletrodepositadas.

Os ensaios de microdureza requerem uma preparação cuidadosa do corpo de prova sendo recomendável o polimento eletrolítico da superfície de análise e o embutimento da amostra em baquelite.

Fonte : Wikipédia – Manual Tratamento Térmico SENAI

Tratamentos Térmicos dos Aços Ferramenta de Carlos Eduardo Pinedo
https://www.heattech.com.br/boletins/Boletim-T%C3%A9cnico-09-2010.pdf

Hamilton Nunes da Costa – Editor Independente
VW CFP SENAI / Matrizeiro especializado em molde
Escola ART-MEC / Projeto de moldes plásticos
VW CFP SENAI / Técnico mecânico – CREA 126.785