Têmpera em óleo ou água: qual usar em cada aço

Use água no aço-carbono comum de eixo, de médio carbono e sem liga adicionada, em peça de forma simples e espessura média que precisa ficar dura até dentro. Use óleo em aço com liga (cromo, molibdênio, níquel) e em peça com furo, rosca, canto vivo ou parede fina ao lado de grossa. A água esfria com mais força: endurece mais fundo, mas também trinca e empena mais; por isso a regra é usar o banho mais brando que ainda deixa a peça com a dureza pedida.

O que o banho de têmpera faz com o aço?

O banho tira o calor da peça depressa, e é essa pressa que endurece o aço. Pense no ferreiro que tira o ferro em brasa do fogo e o mergulha no balde, com aquele chiado. A têmpera é esse movimento: aquecer o aço até a brasa e esfriá-lo rápido para ele endurecer.

No forno, os átomos de ferro mudam de arrumação e abrem espaço para o carbono se dissolver entre eles. Essa arrumação quente se chama austenita.

Se o aço esfria depressa, o carbono fica preso entre os átomos de ferro e nasce a martensita, a estrutura dura que a têmpera procura. Se esfria devagar, o carbono tem tempo de se reagrupar, e o aço volta a ficar mole. O passo a passo, com desenho, está no guia sobre têmpera em óleo.

O líquido do tanque que tira esse calor é o meio de têmpera. Na indústria, os quatro mais usados são a água, a salmoura, o polímero em água e o óleo.

Depois da têmpera vem o revenimento, um reaquecimento brando que alivia a tensão e a fragilidade que a martensita deixa na peça.

Errar o banho custa caro, porque a peça chega ao tanque depois de horas de usinagem (corte e furação na máquina). A peça que sai mole ainda pode voltar ao forno, com custo e risco de empeno. A peça trincada vira sucata.

Para quem precisa do número: antes do banho, o aço-carbono e o de baixa liga costumam ser aquecidos entre 800 e 900 °C, conforme o aço.

Qual a severidade de cada meio de têmpera?

A força com que um meio tira calor da peça se chama severidade. Com o banho parado, a ordem vai da salmoura, a mais severa, para a água e, por fim, o óleo, o mais brando; o polímero em água fica entre a água e o óleo, conforme a concentração.

A salmoura é água com cloreto de sódio, o sal comum, dissolvido. O polímero em água leva um tipo de plástico que se dissolve na água e a deixa mais grossa.

Com os banhos parados, a água tira calor com força 3 a 4 vezes maior que a de um óleo comum. A diferença vem das três fases em que a peça perde calor; quem já viu uma gota de água dançar na chapa quente do fogão, sem ferver, conhece a primeira.

1. Camada de vapor. O líquido que toca a peça em brasa vira vapor e forma um cobertor em volta dela. Esse cobertor isola, e o calor sai devagar.

2. Ebulição. O cobertor se rompe, o líquido toca o metal e ferve em bolhas. Cada bolha leva calor, e esta é a fase mais rápida.

3. Convecção. A superfície já está mais fria que a temperatura de fervura do líquido, as bolhas param e o calor sai só com o líquido que circula em volta. É uma fase lenta.

A segunda variável pesa tanto quanto o líquido: a agitação do tanque. O banho agitado rompe a camada de vapor mais cedo. Na convecção, ele leva o calor embora mais depressa, como a sopa quente que esfria mais rápido quando você mexe.

Por isso, um óleo com agitação violenta chega perto da água parada. A fila de severidade só vale comparando banhos com a mesma agitação.

Para quem precisa do número: a medida clássica da severidade é o fator H de Grossmann, em que a água parada fica perto de 1. Serve para comparar meios.

Fonte: tabela de Grossmann (ASM, 1964), reproduzida na Thermal Processing, maio de 2023. O ensaio de resfriamento, mais abaixo, vale mais que a tabela.

Figura 1. A força de cada banho pelo fator H de Grossmann, parado e com agitação violenta: o óleo com agitação violenta chega perto da água parada. Valores de óleo mineral sem aditivo; o polímero varia com a concentração.

Se a água é mais forte e endurece mais, falta entender por que ela também trinca mais.

Por que a água trinca mais que o óleo?

Porque, no momento em que o aço começa a endurecer, a água ainda esfria a peça na fase rápida, e o óleo, em geral, já esfria devagar. Pense na batata cozida posta na água fria: a casca esfria em segundos, e o miolo continua quente por minutos. A peça de aço também esfria primeiro na casca, a superfície.

Dois fatos completam o quadro. Primeiro, a martensita começa a se formar numa temperatura própria de cada aço, a Ms (do inglês martensite start, início da martensita), por volta de 300 °C em muitos aços comuns.

Segundo, ao virar martensita, o aço "incha" de leve, porque ela ocupa um pouco mais de espaço que a austenita.

Agora junte as três fases. A água ferve a 100 °C, então a fase rápida dura até a casca chegar perto de 100 °C, bem abaixo da Ms. O óleo ferve numa temperatura muito mais alta, entre cerca de 230 e 480 °C conforme o óleo: as bolhas param quando a casca esfria até essa faixa, e em geral a fase lenta já começou quando ela chega à Ms.

Figura 2. Na água, a ebulição vai até perto de 100 °C e cobre a faixa da Ms. O óleo ferve entre cerca de 230 e 480 °C, conforme a formulação, e a fase rápida termina quando a casca esfria até essa faixa. Forma qualitativa: as faixas variam com a formulação, a agitação e o aço.

Na água, isso arma uma cadeia de dois passos:

1. A casca vira martensita com o miolo muito mais quente, o que leva a uma casca dura em volta de um miolo que ainda vai se transformar.

2. Quando o miolo se transforma, ele incha e empurra a casca já rígida, o que leva à tração (esforço que tende a abrir o material) na superfície e à trinca em canto vivo, furo ou mudança de espessura.

Mais carbono deixa a martensita mais frágil e aumenta esse risco.

No óleo, quando a casca chega à Ms, o miolo está mais perto da temperatura da casca, e a tensão cai. O óleo também trinca peça, se for severo demais para ela, mas com margem bem maior.

Figura 3. Casca e miolo de uma peça que sai de 850 °C, na água e no óleo parados. A barra vermelha é a diferença entre os dois quando a casca chega a 300 °C, Ms típica de um aço de médio carbono. O tempo não está em escala e é o mesmo nos dois gráficos. Forma qualitativa.

Como isso aparece na sua fábrica: trinca que surge minutos ou horas depois da têmpera, antes do revenimento; eixo longo empenado; e, na água, pontos moles (regiões sem dureza) em furos e cavidades, onde a camada de vapor fica presa.

Água acima de uns 25 °C, ou contaminada por óleo, sabão ou sujeira, alonga a camada de vapor e deixa a dureza variar de peça para peça.

Para quem precisa do número: a Ms fica em geral entre uns 200 e 400 °C e cai com mais carbono e mais liga. O óleo de têmpera ferve, conforme a formulação, entre cerca de 230 e 480 °C; a convecção começa quando a casca esfria até essa faixa (Herring e Balme, Gear Solutions, 2007).

Então por que alguém ainda tempera em água?

Quando o óleo não basta para endurecer o aço?

Quando o aço tem pouca liga ou a peça é grossa: nesses casos, o óleo não esfria depressa o bastante para endurecer a peça até onde ela precisa.

Cada aço tem uma pressa mínima de resfriamento para virar martensita, a velocidade crítica. Abaixo dela, o carbono escapa e o aço fica mole; o porquê está no guia sobre têmpera em óleo.

O carbono decide quão dura a martensita fica.

A facilidade de o aço endurecer até o miolo se chama temperabilidade, e quem a aumenta são os elementos de liga (cromo, molibdênio, níquel): com eles o aço endurece mesmo com um resfriamento mais calmo. O boro, em quantidade mínima, faz o mesmo em alguns aços de baixa liga usados em parafusos, sem tirar o limite da seção.

O manganês, que todo aço-carbono já traz, ajuda um pouco, mas não basta para o óleo endurecer uma peça média.

A espessura também conta: a batata grande demora muito mais que a pequena para esfriar no meio. A espessura da peça no ponto que interessa se chama seção, e, na seção grossa, o miolo pode não alcançar a velocidade crítica e ficar mole.

Daí a regra: aço com pouca liga, ou seção grossa, pede banho mais forte; aço com liga endurece no óleo.

Os nomes dos aços ajudam a ler isso. Números como 1045 e 4140 são designações da norma SAE, a entidade americana de engenharia automotiva. Os dois primeiros dígitos dizem a família (10 é aço-carbono sem liga adicionada; 41, aço com cromo e molibdênio). Os dois últimos dão o carbono em centésimos de por cento: 1045 tem cerca de 0,45%.

O aço-carbono tem três faixas de carbono, e cada uma pede um caminho:

1. Baixo carbono, como o 1020: quase não endurece se for temperado sem preparo e costuma ganhar carbono na superfície antes, num tratamento no forno chamado cementação.

2. Médio carbono, como o 1045 e o 1050: o caso típico da água.

3. Alto carbono, acima de uns 0,6%: forma martensita mais dura e mais frágil, trinca fácil na água e, em peça fina, costuma ir para o óleo; em peça maior, pede aço com liga.

Aços de liga alta, como os de ferramenta e o inox martensítico, temperam em óleo, ar, gás ou sal, conforme o aço.

Figura 4. Na mesma seção, o 1045 no óleo mal endurece a superfície, na água endurece mais fundo, e o 4140 endurece no óleo até perto do centro. Desenho qualitativo.

Para quem precisa do número: a temperabilidade se mede pelo ensaio Jominy (ASTM A255), com uma barra padrão resfriada por jato de água numa ponta. Faixas usuais de carbono: baixo, até uns 0,3%; médio, de uns 0,3 a 0,6%; alto, acima de uns 0,6%.

Com isso, dá para responder à dúvida mais comum.

Têmpera do aço 1045 é em água ou em óleo?

Depende da seção e da forma da peça. O 1045 tem pouca liga, então a espessura decide quase tudo. Como ordem de grandeza, e não como limite:

• Seção fina: a de um pino, um parafuso ou uma lâmina, que esfria por inteiro quase de uma vez.

• Seção média: a de um eixo ou uma engrenagem da grossura de um cabo de ferramenta.

• Seção grossa: a de um eixo ou bloco da grossura de um braço ou mais, onde o miolo demora a perder calor.

A fronteira exata de cada aço sai do ensaio Jominy dele.

Em cada caso:

1. Peça fina: o óleo pode bastar, e é o caminho quando a forma não aguenta o choque, aceitando dureza menor no miolo.

2. Seção média que precisa de dureza no miolo: água ou salmoura, porque o óleo não esfria depressa o bastante para esse aço.

3. Seção grossa: nem a água endurece o miolo do 1045.

Para a seção grossa, há duas saídas. A primeira é trocar por um aço com liga, como o 4140, que endurece no óleo. Em seção muito grossa, nem o 4140 chega ao centro, e entra um aço de mais liga, como o 4340, com níquel, cromo e molibdênio.

A segunda vale quando basta a superfície dura: a peça de 1045 pode ser temperada só na casca pela indução, em que um campo eletromagnético aquece apenas a camada de fora, resfriada logo em seguida.

E se a peça de 1045 tem furo, rosca ou canto vivo e trinca na água? Aí entra um meio-termo entre a água e o óleo comum, descrito na próxima seção e testado antes em peças da produção. No caminho contrário, em aço com liga, trocar o óleo pela água raramente traz dureza que compense o risco de trinca.

A dureza máxima vem do carbono; a profundidade em que ela chega depende do banho, da liga e da seção.

Para quem precisa do número: a dureza em cada profundidade muda com o lote do aço e a agitação. Ela sai da curva Jominy do aço comprado, cruzada com o diâmetro da peça e o fator H do banho.

Onde entram a salmoura e o polímero?

Eles entram quando nem a água pura nem o óleo comum servem. A salmoura dá um resfriamento mais uniforme que o da água. O polímero e o óleo acelerado, um óleo mais rápido que o comum, ficam no meio-termo entre a água e o óleo.

Salmoura. O sal faz a camada de vapor romper mais cedo, o que deixa o resfriamento mais uniforme e reduz os pontos moles. O ganho dela está na parte quente do resfriamento, onde a água ainda forma vapor. Na faixa da Ms, ela esfria como a água, então o risco de trinca continua o mesmo.

Por outro lado, a salmoura corrói a peça e o equipamento e pede lavagem logo depois da têmpera.

Polímero em água. Na peça quente, o polímero forma uma película em volta dela e freia a saída de calor. A concentração ajusta a severidade entre a da água e a do óleo, e o banho não pega fogo.

Como a severidade depende da concentração, o polímero pede controle de rotina no tanque. O aparelho usado é o refratômetro, que mede quanto a luz se desvia ao atravessar o líquido.

Óleo acelerado. Ele leva aditivos, produtos químicos em dose pequena, que rompem a camada de vapor mais cedo. Resfria depressa na parte quente e, na convecção, segue em geral brando como um óleo. Ele serve ao aço de temperabilidade difícil em peça de forma complexa: busca endurecer quase como a água sem trincar como ela, o dilema da Figura 3.

Pela velocidade, os óleos de têmpera formam três grupos:

1. Óleo convencional: o mais brando, para aço que endurece com facilidade.

2. Óleo de velocidade média: o meio-termo, para aço de temperabilidade intermediária ou peça de seção média.

3. Óleo acelerado: o mais rápido dos três, para aço que custa a endurecer ou seção mais grossa.

O óleo é combustível, e o óleo quente no tanque pode pegar fogo. A água que cai no óleo quente vira vapor de repente, faz espuma e espirra óleo. Por isso o óleo do tanque precisa ficar seco, e a água dele se mede pelo método Karl Fischer, uma reação química que conta a água.

Onde o óleo não pode ficar no local, o polímero ocupa o lugar dele, porque não é inflamável e a concentração ajusta a severidade.

Para quem precisa do número: a salmoura trabalha tipicamente perto de 10% de cloreto de sódio, e daí para cima a camada de vapor praticamente desaparece (MacKenzie, Thermal Processing, 15/07/2024). Os polímeros mais comuns, os polialquilenoglicóis (PAG), saem da solução na superfície quente e formam a película.

Com os quatro meios na mesa, chega a hora de escolher.

Qual meio de têmpera usar em cada aço?

Use o meio mais brando que ainda endurece a peça até onde o projeto pede. Quanto menos liga o aço tem, mais severo precisa ser o meio; quanto mais complexa a forma, maior o risco desse meio severo.

O polímero é brando em relação à água, mas costuma esfriar mais depressa que o óleo na fase lenta, quando a casca passa pela faixa da Ms. Por isso, o aço com liga sensível a trinca fica no óleo convencional.

A peça que empena ou trinca muito, com parede fina e grossa juntas, pode pedir martêmpera: um banho de óleo quente em que casca e miolo igualam a temperatura antes de esfriar. Ela é indicada para aço com liga suficiente para endurecer nesse banho mais lento. A Equipe Técnica avalia esse caso.

O aço de baixo carbono fica fora da tabela, porque ganha carbono na superfície, na cementação, antes da têmpera. Depois disso, a peça cementada costuma ir ao óleo, muitas vezes acelerado; a Equipe Técnica Kelpen Oil avalia o caso.

Figura 5. Árvore de decisão do meio de têmpera: primeiro o risco de incêndio, depois a liga, o carbono, a seção e a forma da peça.

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.

Os produtos de têmpera estão em óleos para tratamento térmico. Para velocidade média, martêmpera ou dúvida sobre qual produto usar, fale com a Equipe Técnica Kelpen Oil, que indica pelo aço, pela seção e pela forma da peça.

E quem já tempera em água e quer sair dela?

Dá para trocar a água por óleo ou polímero sem perder dureza?

Às vezes dá. A troca funciona quando o aço tem temperabilidade para endurecer num meio mais brando; em aço-carbono de seção média, o óleo comum pode deixar o miolo mole.

A medida que decide é a curva de resfriamento: o registro da temperatura de uma peça de teste padrão no banho ao longo do tempo. Essa peça de teste se chama sonda, e o ensaio está explicado no guia sobre têmpera em óleo.

Dois números da curva decidem a troca. A velocidade máxima de resfriamento mostra se o fluido candidato ainda endurece o aço. A velocidade a 300 °C, a parte fria da Figura 3, mostra o risco de trinca e empenamento.

O caminho seguro tem três passos:

1. Comparar a curva do fluido candidato com a do banho atual.

2. Temperar um lote de teste com peças da própria produção.

3. Conferir a dureza na casca e no miolo e procurar trinca antes de mudar a produção, porque a peça real esfria diferente da sonda.

O laboratório próprio da Kelpen Oil em Arujá (SP) mede a curva de resfriamento de óleo pela ASTM D6200 e a de polímero pela ASTM D6482, no equipamento IVF Smart Quench. Para outras empresas, é serviço pago, inclusive com fluido de outro fabricante.

Os demais ensaios estão no guia de ensaios, normas e equipamentos do laboratório.

Para quem precisa do número: a ASTM D6200 equivale à ISO 9950 e usa uma sonda de liga de níquel de 12,5 mm de diâmetro. O ensaio registra a velocidade máxima, a temperatura em que ela ocorre, a velocidade a 300 °C e os tempos até 600, 400 e 200 °C.

Perguntas frequentes

Qual a temperatura ideal da água para têmpera? Entre 15 e 25 °C, com agitação e água limpa; mais quente ou suja, a dureza varia de peça para peça.

Por que a peça temperada em água trinca horas depois? Porque a martensita deixa a peça sob tensão, e essa tensão pode abrir a trinca com o tempo se a peça não for revenida logo. Revene assim que a peça esfriar até perto da temperatura ambiente, nem antes nem muito depois. Antes disso, parte do aço ainda não virou martensita, e ela se forma depois, frágil, sem ter sido aliviada.

Têmpera em água deixa o aço mais duro que em óleo? Em aço-carbono de seção média, muitas vezes sim, porque o óleo pode deixá-lo mole. O teto vem do carbono: em peça fina ou aço com liga que já endurece no óleo, a água acrescenta pouca dureza e muito risco de trinca.

Posso temperar em óleo queimado ou óleo de motor? Na produção, não é recomendável: a severidade desse óleo é desconhecida. Os aditivos do óleo de motor (detergentes e outros) mudam a forma de esfriar de um lote para outro, então o resultado não se repete. O óleo usado também pode ter água e combustível, e o combustível baixa a temperatura em que o vapor do óleo pega fogo, o que aumenta o risco de incêndio no tanque.

Glossário

• Meio de têmpera: líquido do tanque que tira o calor da peça (água, salmoura, polímero em água ou óleo).

• Severidade: força com que o meio tira calor da peça; o número clássico é o fator H de Grossmann, com a água parada perto de 1.

• Martensita: estrutura dura que nasce quando o aço esfria depressa e o carbono fica preso entre os átomos de ferro.

• Ms: temperatura em que a martensita começa a se formar; varia com o carbono e a liga.

• Temperabilidade: facilidade de o aço endurecer até o miolo da peça.

• Seção: espessura da peça no ponto que interessa; quanto mais grossa, mais devagar o miolo esfria.

• Salmoura: água com cloreto de sódio dissolvido, o meio de têmpera mais severo entre os líquidos frios.

Fale com a Equipe Técnica

A Equipe Técnica Kelpen Oil avalia o aço, a seção e a forma da peça, a dureza pedida na casca e no miolo, o volume e a agitação do tanque e a exigência de segurança do local, e confirma o meio e o produto adequados. Se o banho já está em uso, o laboratório de Arujá (SP) faz a análise do óleo em uso, com a curva de resfriamento, como serviço pago. Antes de trocar de banho, anote o aço, a maior seção da peça e a dureza que o desenho pede: são os três dados que decidem.