Use o óleo que esfria a peça na velocidade que o aço dela pede: rápido o bastante para endurecer, sem ser tão brusco que a peça empene ou trinque. Aço que endurece com facilidade pede um óleo de têmpera convencional; aço que custa a endurecer, ou peça grossa, pede um óleo mais rápido, de velocidade média ou acelerado. Onde o fogo no tanque preocupa, entra um fluido de polímero em água, e a escolha se confirma num ensaio que mostra como o fluido esfria uma peça de teste.
Para que serve a têmpera no aço?
Serve para endurecer o aço. É o momento em que a peça sai do forno em brasa e chia ao entrar no tanque: em segundos, o aço que se deixava usinar fica duro o bastante para virar engrenagem ou eixo.
No forno, os átomos de ferro mudam de arrumação e abrem espaço para o carbono se dissolver entre eles, como a água quente que aceita mais açúcar que a fria. Essa arrumação se chama austenita, e o aquecimento até ela, austenitização.
Daí em diante, tudo depende da velocidade do resfriamento:
Devagar, o carbono tem tempo de se juntar em pequenas camadas dentro do próprio aço, sem sair da peça, e o aço volta a ser mole.
Depressa, o carbono fica preso entre os átomos de ferro, a arrumação se estica numa direção e nasce a martensita, a estrutura dura que a têmpera procura.
Figura 1. Devagar, o carbono se agrupa e o aço fica mole; depressa, ele fica preso e nasce a martensita. Desenho qualitativo.
A velocidade do banho pesa porque a têmpera vem no fim da fabricação. A peça que chega ao tanque já passou pelo torno e pelo fluido de corte para usinagem. Usinagem errada ainda se corrige, mas a têmpera errada muitas vezes não tem volta: peça trincada vira sucata.
Para quem precisa do número: a austenitização vai tipicamente de 800 a 900 °C nos aços-carbono (sem liga) e nos de baixa liga (com pouco elemento adicionado). O resfriamento lento forma as estruturas moles chamadas ferrita e perlita.
Mas quão rápido é "depressa"?
Por que cada aço pede uma velocidade diferente?
Porque cada aço tem uma velocidade mínima de resfriamento para virar martensita, a velocidade crítica.
A pressa conta sobretudo numa faixa de temperatura no meio do caminho: se a peça demora nela, parte do aço vira a estrutura mole do resfriamento lento, e a dureza fica abaixo da pedida. Neste artigo, chamamos essa faixa de "faixa em que o aço amolece".
O carbono decide quão dura a martensita fica, e os elementos de liga (cromo, manganês, molibdênio, níquel e, em dose mínima, boro) deixam o aço endurecer com um resfriamento mais calmo. Aço que recebe esses elementos de propósito, acima do teor comum, é o aço-liga.
A espessura também conta. Na batata cozida posta na água fria, a casca esfria em segundos e o miolo continua quente por minutos. Na peça grossa, o miolo pode não alcançar a velocidade crítica, e a dureza cai aos poucos da casca para o centro.
A espessura no ponto que interessa se chama seção. A facilidade de o aço endurecer até o miolo se chama temperabilidade.
Figura 2. Mesmo aço, mesmo banho: a barra fina endurece até o centro; na grossa, a dureza cai da casca para o miolo. Desenho qualitativo.
O resultado é uma regra simples: aço com pouca liga, ou peça grossa, pede um banho que tire calor mais depressa.
Para quem precisa do número: a faixa em que o aço amolece fica por volta de 700 a 500 °C, conforme o aço. O SAE 1045, aço sem liga de médio carbono comum em eixos, endurece bem em óleo convencional só em peça fina.
Então basta esfriar o mais rápido possível?
Por que esfriar rápido demais trinca a peça?
Porque a casca e o miolo da peça se transformam em momentos diferentes, e o banho forte afasta esses momentos. Dois fatos explicam o resto.
Primeiro, a martensita começa a se formar numa temperatura própria de cada aço, a Ms (do inglês martensite start, início da martensita).
Segundo, a martensita ocupa um pouco mais de espaço que a austenita: o aço "incha" de leve ao endurecer, enquanto o resto da peça encolhe ao esfriar.
A casca sempre esfria antes do miolo. O banho forte aumenta essa diferença, e daí vem a trinca:
Quanto mais forte o banho na faixa da Ms, maior a diferença de temperatura entre a casca e o miolo.
Com essa diferença, a casca passa da Ms e vira martensita bem antes do miolo.
Quando o miolo enfim se transforma, ele incha e empurra a casca, que já está dura e quebradiça.
Esse esforço interno se chama tensão. Se ele passa do que o aço aguenta, a peça empena (entorta) ou trinca, às vezes horas depois do banho. A trinca pode só aparecer na retífica, o acabamento por desgaste com rebolo.
Por isso a regra é usar o banho mais brando que ainda dá a dureza pedida, na profundidade pedida. A engrenagem, por exemplo, pede casca muito dura e um miolo resistente, mas não tão duro quanto a casca.
O aço, a forma da peça e o forno também pesam na trinca; aqui o foco é o banho, a parte que o óleo controla.
Para quem precisa do número: a Ms fica em geral entre uns 200 e 400 °C e cai com mais carbono e mais liga. Nos aços de médio carbono, a fórmula empírica de Andrews (1965, válida até cerca de 0,6% de carbono) dá perto de 300 a 350 °C. Os de alto carbono ficam abaixo de 300 °C.
O banho ideal seria rápido na faixa em que o aço amolece e lento na faixa da Ms. Quem controla isso é o fluido de têmpera.
Qual o papel do óleo na têmpera?
O óleo é um dos meios de têmpera, o fluido que tira o calor da peça. A força com que um meio tira calor se chama severidade.
Dos líquidos frios, com o banho parado, o mais severo é a salmoura (água com sal); depois vêm a água, o polímero dissolvido em água e o óleo. (Polímero, aqui, é um tipo de plástico que se dissolve na água e a deixa mais grossa.) Conforme a concentração, o polímero fica mais brando, perto do óleo, ou mais severo, perto da água.
Meios mais brandos, como o sal fundido, o ar e o gás, servem sobretudo a aços de liga alta e a processos especiais, como a martêmpera em sal. Aqui eles aparecem só de passagem.
Água e salmoura endurecem bem o aço-carbono (o aço sem liga), com mais risco de trinca. Dos quatro líquidos frios, o óleo é o mais gradual, o padrão para aço-liga e peça de precisão.
Para quem precisa do número: no fator H de Grossmann, medida clássica de severidade, a salmoura fica perto de 2, a água perto de 1 e o óleo parado de 0,25 a 0,30.
Se água e óleo entram frios no tanque, por que o óleo é mais suave?
Como funciona a têmpera em óleo, e por que ele é mais suave que a água?
A peça perde calor em três fases, cada uma com a sua velocidade. Quem já viu uma gota de água pular numa chapa quente conhece a primeira.
Camada de vapor. A gota "dança" porque a parte de baixo vira vapor e a sustenta. No tanque, o óleo que toca o metal em brasa também vira vapor e forma um cobertor que isola a peça: o resfriamento é lento.
Ebulição. O cobertor se rompe, o óleo toca o metal e ferve em bolhas, como a água na panela. Cada bolha leva calor, e esta é a fase mais rápida.
Convecção. Quando a superfície fica mais fria que a temperatura em que o óleo ferve, as bolhas param, e o calor sai só com o óleo que circula em volta. É a fase mais lenta.
Figura 3. A peça esfria devagar no vapor, rápido na ebulição e devagar na convecção, quando cruza a Ms. Desenho qualitativo.
Boa parte da dureza se decide na saída do vapor: ele precisa se romper antes de a peça entrar na faixa em que o aço amolece. Se ainda cobre a peça nessa faixa, a dureza cai; se cobre só um trecho, aparece ponto mole.
O trunfo do óleo é ferver numa temperatura muito mais alta que a água. Por isso, em geral, as bolhas param e a fase lenta começa antes de a casca chegar à Ms. Daí em diante, o calor sai devagar, e o miolo tem tempo de alcançar a casca.
Quando a casca cruza a Ms, a diferença de temperatura até o miolo é menor que na água, e a tensão também. Na água, a fase de bolhas, a mais rápida, só termina quando a superfície da peça chega perto de 100 °C, bem depois de cruzar a Ms.
Para quem precisa do número: o óleo de têmpera ferve, em geral, entre cerca de 230 e 480 °C, conforme a formulação, e a Ms fica entre uns 200 e 400 °C. Como as faixas se sobrepõem, a vantagem vale para muitos aços, não para todos.
Mais adiante, o ensaio da curva de resfriamento mostra quanto calor um óleo ainda tira na faixa da Ms.
E todo óleo de têmpera faz isso do mesmo jeito?
Qual o melhor óleo para temperar aço?
O melhor é o que entrega a velocidade que o aço e a seção da peça pedem. Pela velocidade, os óleos de têmpera formam três grupos:
Óleo convencional (ou normal): o mais lento, para aço que endurece com facilidade.
Óleo de velocidade média: o meio-termo, para aço de temperabilidade intermediária ou peça de seção média.
Óleo acelerado (ou rápido): leva aditivos, produtos químicos em dose pequena, que rompem a camada de vapor mais cedo.
Figura 4. O óleo acelerado rompe o vapor mais cedo e passa mais depressa pela faixa em que o aço amolece. Desenho qualitativo.
Além desses três grupos, o óleo de martêmpera trabalha quente, perto da Ms do aço ou um pouco abaixo dela: a peça espera no banho até casca e miolo ficarem na mesma temperatura e só então esfria ao ar. Por isso empena menos.
Depois de qualquer têmpera, a peça segue para o revenimento, o reaquecimento a uma temperatura bem abaixo da austenitização, que alivia a tensão e a fragilidade da martensita.
Fora do óleo, o polímero em água entra no quadro abaixo. Para a escolha entre óleo e água conforme o aço, veja têmpera em óleo ou água.
| Se na sua fábrica… | Use | Por quê |
|---|---|---|
| O aço endurece com facilidade, ou a peça é fina | Óleo convencional | Menos risco de trinca e empenamento |
| O aço tem temperabilidade intermediária | Óleo de velocidade média | Mais rápido que o convencional |
| O aço tem baixa temperabilidade, ou a seção é grossa demais para o convencional | Óleo acelerado | Rompe o vapor mais cedo e endurece mais fundo |
| A peça empena muito, ou tem seções muito diferentes (parede fina e grossa na mesma peça) | Martêmpera em óleo quente (ou em sal fundido) | Casca e miolo igualam a temperatura no banho e se transformam quase juntos |
| O tanque precisa ser não inflamável, ou a severidade fica entre a da água e a do óleo | Polímero em água | Não pega fogo; a concentração ajusta a severidade |
A agitação do tanque sempre aumenta a severidade; por isso, agite do mesmo jeito em toda carga, para o resultado não mudar.
Nós, da Kelpen Oil, formulamos óleos de têmpera em duas linhas: a linha Micro Temp, com opções para aços de difícil temperabilidade, e a linha Austenity, com opções de têmpera convencional e acelerada para metais ferrosos (os à base de ferro, como o aço). Formulamos também um fluido de têmpera de polímero em água, não inflamável.
Para velocidade média e martêmpera, fale com a Equipe Técnica Kelpen Oil. Os produtos de têmpera estão em óleos para tratamento térmico, e a Equipe Técnica indica o óleo pelo aço e pela seção da peça.
A temperatura do banho também pesa. Na água e no polímero, o banho mais quente alonga a camada de vapor. No óleo, até certo ponto, ele deixa o líquido menos viscoso (escorre mais fácil) e acelera o resfriamento; acima desse ponto, a camada de vapor também fica mais estável e o óleo volta a ficar mais lento.
Para quem precisa do número: na martêmpera clássica, em sal fundido, o banho fica logo acima da Ms. Em óleo, fica tipicamente entre 100 e 200 °C, muitas vezes abaixo da Ms do aço (martêmpera modificada, que esfria mais depressa). Os óleos comerciais de martêmpera trabalham de uns 60 a 230 °C.
Resta saber se um óleo é rápido de verdade, e não só no rótulo.
O que é curva de resfriamento?
É o desenho de como uma peça de teste esfria no óleo. Imagine um termômetro dentro dela anotando a temperatura a cada instante, do forno até o fim do banho: ligando os pontos, você tem a curva de resfriamento.
A peça de teste se chama sonda. Ela é feita de uma liga de níquel que não muda de estrutura ao esfriar, então a curva mostra só o óleo, sem a transformação de um aço no meio.
O ensaio dá duas curvas: temperatura contra tempo e velocidade contra temperatura. A segunda, a velocidade de resfriamento em cada temperatura, mostra as três fases no óleo ensaiado: quando o vapor se rompe, quão rápida é a ebulição e quão branda é a convecção.
Figura 5. A velocidade de resfriamento da sonda em cada temperatura: baixa no vapor, máxima na ebulição, baixa de novo na convecção. Desenho qualitativo.
Na leitura, vapor que se rompe cedo e ebulição rápida endurecem mais. A velocidade a 300 °C, que o ensaio registra, mostra o risco de trinca, porque fica na faixa da Ms.
A sua peça tem outra seção, outra forma, outra agitação e outra carga no cesto. Por isso, a curva serve para comparar óleos entre si e o mesmo óleo ao longo do tempo. "Óleo rápido" sem curva é promessa: a curva é o que deve entrar na especificação de compra.
Para quem precisa do número: o ensaio de óleo é a ASTM D6200, equivalente à ISO 9950, com sonda de Inconel 600 de 12,5 mm de diâmetro por 60 mm, sensor de temperatura (termopar) no centro e óleo parado.
O ensaio registra a velocidade máxima e a temperatura em que ela ocorre, a velocidade a 300 °C e os tempos até 600, 400 e 200 °C.
Uma classificação usual na literatura técnica (revista Gear Solutions, série Oil Quenchants: Understanding the Chemistry, parte I) separa os óleos pela velocidade máxima: normal abaixo de cerca de 60 °C/s, médio de 60 a 90 °C/s e rápido acima de 90 °C/s.
Para polímero, vale a ASTM D6482, com agitação do banho (método Tensi), porque ele muda muito com ela.
E a curva de um óleo não fica igual para sempre.
Como saber se o óleo de têmpera ainda está bom?
Comparando a curva de uma amostra do tanque com a do óleo novo, ou com a da época em que o processo foi aprovado. No serviço, o óleo envelhece:
reage com o oxigênio do ar, mais depressa no calor: é a oxidação;
tem moléculas quebradas pelo calor: é o craqueamento;
forma borra, uma lama que não se dissolve, junta no fundo do tanque e deixa verniz na peça;
recebe água e fuligem.
O desvio pode ir para os dois lados. O óleo fica mais lento quando o aditivo acelerador se gasta ou quando a oxidação o engrossa, e mais rápido quando os produtos da oxidação rompem o vapor mais cedo. A olho nu, os dois casos parecem iguais; a curva separa.
Como isso aparece na sua fábrica: dureza baixa ou pontos moles, trinca e empenamento que obriga a endireitar a peça ou a deixar mais sobremetal (o material extra que a retífica remove depois).
A água é o pior contaminante, porque age nos dois sentidos. Primeiro, deixa a camada de vapor mais longa, o que dá ponto mole. Depois, a ebulição fica mais violenta e se estende até mais perto da Ms, onde o resfriamento rápido trinca e empena a peça.
A água ainda pode fazer o óleo espumar e transbordar (ver a pergunta sobre fogo).
Figura 6. Com água, o vapor dura mais (ponto mole) e o pico de velocidade fica mais alto e numa temperatura mais baixa (trinca). Desenho qualitativo.
No polímero, acompanha-se também a concentração, com o refratômetro, aparelho que mede quanto a luz se desvia ao atravessar o líquido. A leitura multiplicada pelo fator de correção que o fabricante do polímero informa dá a concentração.
A peça número 10.000 só tempera como a número 1 se alguém estiver medindo.
Para quem precisa do número: com água, a velocidade máxima sobe e a temperatura em que ela ocorre desce. O guia ASTM D6710 não fixa limites. Como referência, cita-se menos de 0,1% de água (1.000 ppm, partes por milhão), valor que a literatura técnica dá como o máximo que o óleo de têmpera costuma dissolver.
Acima disso, sobra água livre no tanque. Em aço de baixa temperabilidade, mesmo abaixo de 0,05% (500 ppm) a água já pode dar ponto mole, então o alvo é o mais perto de zero possível.
Fica o lado prático: quem faz essa medição, e como.
Como a Kelpen Oil mede a curva de resfriamento?
O laboratório próprio da Kelpen Oil em Arujá (SP) levanta a curva de óleos de têmpera pela ASTM D6200 e a de polímeros pela ASTM D6482, no equipamento IVF Smart Quench.
Usamos o ensaio no controle dos nossos lotes e fazemos a análise para outras empresas, inclusive com óleo de outro fabricante, como serviço pago. A curva diz se o óleo mudou; os outros ensaios do laboratório de lubrificantes dizem por quê:
| O que medimos | O que revela | Norma |
|---|---|---|
| Curva de resfriamento do óleo | Se o óleo ainda tempera como no dia da aprovação | ASTM D6200, no IVF Smart Quench |
| Curva de resfriamento do polímero, com agitação | A mesma leitura para o polímero em água | ASTM D6482, no IVF Smart Quench |
| Água no óleo (método Karl Fischer, uma reação química que conta a água) | Teor de água, em ppm: muda a curva e traz risco de espuma e fogo | Karl Fischer coulométrico |
| Número de acidez (TAN, do inglês Total Acid Number) | Quanto ácido a oxidação já formou no óleo | NBR 14448 |
| Viscosidade cinemática a 40 °C (resistência do óleo a escorrer) | Se o óleo afinou (craqueamento ou mistura com óleo mais fino) ou engrossou pela oxidação | ASTM D7042, no viscosímetro SVM 4001 |
| Ponto de fulgor (menor temperatura em que o vapor do óleo dá um lampejo ao encostar numa chama, sem manter o fogo) | Margem contra fogo no tanque; a queda indica contaminação ou craqueamento | NBR 11341 |
Com esses resultados na mão, faça ao seu tanque duas perguntas. Este óleo entrega a severidade que a peça pede? E ele ainda se comporta como no dia em que o processo foi aprovado?
Perguntas frequentes
Qual a diferença entre têmpera e revenimento? A têmpera endurece o aço. O revenimento vem logo depois: reaquece a peça bem abaixo da austenitização para aliviar a tensão e a fragilidade da martensita, trocando um pouco de dureza por tenacidade (resistência a quebrar com impacto).
Qual a temperatura de têmpera do aço? Nos aços-carbono e de baixa liga, a austenitização fica tipicamente entre 800 e 900 °C, conforme a liga. Aços para ferramentas de alta liga e inoxidáveis martensíticos (os que endurecem na têmpera) usam temperaturas mais altas; o valor exato vem da especificação do aço.
Como tirar a têmpera do aço? Por recozimento: a peça é reaquecida até a austenitização e resfriada devagar, em geral dentro do próprio forno, o que devolve a estrutura mole e usinável.
Óleo de têmpera pega fogo? Pode pegar, porque o óleo é combustível. O fogo costuma vir de água no óleo (ela vira vapor de uma vez, e o óleo espuma e transborda). Também pode vir de carga presa meio fora do banho (o metal em brasa fica na superfície do óleo) ou de pouco óleo para o tamanho da carga. A norma NFPA 86 pede que o tanque seja dimensionado para o óleo trabalhar, com a carga máxima, pelo menos 28 °C (50 °F) abaixo do ponto de fulgor.
Óleo de têmpera precisa de análise periódica? Sim. A curva muda com a oxidação e a contaminação, e só o ensaio ASTM D6200 numa amostra do tanque mostra se o óleo ainda tempera como no dia da aprovação.
Glossário
Austenitização: aquecimento do aço até a austenita, arrumação em que o carbono se dissolve no ferro.
Martensita: estrutura dura que nasce quando o aço esfria depressa e o carbono fica preso entre os átomos de ferro.
Temperabilidade: facilidade de o aço endurecer até o miolo da peça.
Ms: temperatura em que a martensita começa a se formar; varia com o carbono e a liga.
Severidade: força com que o meio de têmpera (água, polímero, óleo) tira calor da peça.
Camada de vapor: cobertor de vapor que envolve a peça no começo do banho e isola a superfície.
Curva de resfriamento: registro da temperatura de uma sonda padronizada no banho ao longo do tempo.
Martêmpera: têmpera em banho quente (óleo ou sal), perto da Ms ou um pouco abaixo dela, em que casca e miolo igualam a temperatura antes de a peça esfriar ao ar.
Fale com a Equipe Técnica
A Equipe Técnica Kelpen Oil avalia o tipo de aço, a geometria e a seção da peça, a temperatura de processo, a dureza pedida e o volume do tanque, e confirma o produto adequado (óleo ou polímero de têmpera), com a curva de resfriamento medida no laboratório próprio. Se o processo já roda com outro produto, o laboratório de Arujá (SP) faz a análise do óleo em uso com amostra do tanque, como serviço pago. Salve este artigo ou envie para quem responde pelo tratamento térmico na sua empresa.
