Operações metalúrgicas como corte e soldagem que envolvem metais geralmente geram calor. Sempre que um metal é aquecido, sua estrutura e propriedades são alteradas, possibilitando a fabricação desse metal em diferentes formatos.
O tratamento térmico de metais envolve aquecer o metal e depois resfriá-lo para evitar que chegue ao estado fundido. Este procedimento ajuda a manipular as propriedades mecânicas do metal. Os metalúrgicos costumam usar tratamento térmico para aumentar a resistência ou maleabilidade, resistência à abrasão ou flexibilidade do metal.
Vejamos o processo de tratamento térmico, mergulhando nas diversas técnicas disponíveis e dicas que garantirão resultados de alta qualidade.
O que é tratamento térmico de metais?
O tratamento térmico refere-se a qualquer procedimento no qual as propriedades físicas de uma substância (como o metal) são alteradas através da aplicação de calor. Este procedimento geralmente melhora as propriedades, desempenho e durabilidade do metal.
O tratamento térmico consiste, na sua forma mais fundamental, em aquecer o metal, mantê-lo nessa temperatura e depois resfriá-lo rapidamente. Ao longo do procedimento, as propriedades mecânicas do metal irão mudar. Isso ocorre porque a temperatura elevada altera a microestrutura do metal. A microestrutura é um fator significativo que influencia as características mecânicas de um determinado material.
O resultado final depende de muitos fatores. Estes incluem a taxa de resfriamento, as condições ambientais, a duração do aquecimento e a manutenção de uma temperatura específica para o componente metálico, etc. Esses parâmetros dependem do método de tratamento térmico, do metal envolvido e das dimensões da peça.
Como funciona o tratamento térmico?
De modo geral, o tratamento térmico funciona em três etapas principais:
- Aquecer lentamente o metal para garantir que ele mantenha uma temperatura consistente.
- Imergir ou manter o metal a uma temperatura designada por um período determinado.
- Resfriamento do metal à temperatura ambiente.
Fase de aquecimento
Garantir que o metal sofra aquecimento uniforme é o objetivo principal durante a fase de aquecimento. O aquecimento constante resulta em aquecimento uniforme. O aquecimento desigual do metal pode fazer com que uma parte se expanda mais rapidamente que a outra. Como resultado, um segmento do metal fica deformado ou fraturado. As seguintes considerações devem orientar a seleção da taxa de aquecimento:
- A condutividade térmica: Metais com condutividade térmica conduzem o calor mais rapidamente do que aqueles com baixa condutividade.
- Estado do metal: Os componentes que foram submetidos a endurecimento ou coação prévia devem ser aquecidos a uma taxa reduzida em comparação com aqueles que não passaram por tais processos.
- Tamanho e seção transversal do metal: Componentes mais significativos podem ser aquecidos a uma taxa mais lenta do que componentes menores. Não fazer isso pode resultar em rachaduras ou empenamentos excessivos.
Estágio de imersão
O período de imersão refere-se ao tempo durante o qual o metal é mantido na temperatura ideal. Esta fase garante que o metal permaneça na temperatura adequada enquanto a estrutura interna pretendida se desenvolve. A análise química e as propriedades do metal são necessárias para determinar a duração apropriada. No caso de secções transversais irregulares, o período de embebição pode ser estabelecido utilizando a secção mais significativa.
Não é aconselhável aumentar rapidamente a temperatura do metal desde a temperatura ambiente até à temperatura de imersão numa única operação. Pelo contrário, é necessário aumentar gradualmente a temperatura do metal até um nível logo abaixo da temperatura em que ocorre uma mudança estrutural. Então, posteriormente, mantenha essa uniformidade de temperatura em todo o metal.
Estágio de Resfriamento
O tipo de metal deve ser resfriado à temperatura ambiente nesta etapa. O método de resfriamento do metal varia dependendo de sua natureza específica. Um meio de resfriamento (líquido, gás ou uma combinação destes) pode ser necessário para o metal. A taxa de resfriamento depende do metal e do meio de resfriamento.
O metal é temperado quando resfriado rapidamente em ar, água, salmoura, óleo ou outro meio. Nem todos os metais devem ser satisfeitos, pois o processo pode induzir rachaduras ou empenamentos em certos metais. Água ou salmoura podem resfriar rapidamente o metal, enquanto misturas de óleo são mais adequadas para um processo de resfriamento mais lento. A água é geralmente empregada para endurecer aços carbono, o óleo é usado para endurecer ligas de aço e a água é utilizada para temperar metais não ferrosos. No entanto, a taxa de resfriamento e o meio selecionado devem ser adequados ao metal.
Benefícios do tratamento térmico de metais
Ao alterar as propriedades dos metais por meio do tratamento térmico, eles podem ser utilizados em diversos processos de fabricação de metais. A seguir estão várias vantagens do tratamento térmico de metais:
Melhora a usinabilidade e a trabalhabilidade
O tratamento térmico aumenta a capacidade de fabricação através da eliminação de tensões internas. Por exemplo, para reduzir a dureza de um metal difícil de usinar ou deformar, ele pode ser recozido ou submetido a alívio de tensão. Apenas uma parte de um componente pode ser amolecida por tratamento térmico por chama de indução, deixando o restante inalterado.
Aumenta a durabilidade e a resistência ao desgaste
Usando o procedimento de endurecimento, o tratamento térmico pode aumentar a resistência ao desgaste de um componente. O endurecimento superficial ou total do metal pode aumentar sua resistência, tenacidade, durabilidade e resistência ao atrito.
Aumenta a resiliência e a força
Existe uma compensação entre resistência e força; aumentar a resistência pode reduzir a tenacidade, levando à fragilidade. A resistência à tração, o limite de escoamento e a resiliência à fratura podem ser alteradas pelo tratamento térmico. Embora o endurecimento aumente a estabilidade, requer revenido para reduzir a fragilidade. A resistência final pretendida do material determina o grau exato de revenido.
Melhora as propriedades magnéticas e elétricas
A maioria dos materiais adquire magnetismo após o endurecimento. Um procedimento de recozimento específico reduz a permeabilidade magnética, o que é crítico se o componente for usado em um ambiente eletrônico e vários indústrias.
Quais metais são adequados para tratamento térmico?
Embora o tratamento térmico de metais afete predominantemente metais ferrosos, também é possível processar ligas compostas de alumínio, cobre, latão e titânio. Entre os metais ferrosos passíveis de tratamento térmico estão aço ferramenta, aço inoxidável e ferro fundido em vários graus.
- Endurecimento, nitretação, revenido, endurecimento, recozimento, normalização e alívio de tensão são tratamentos típicos para metais ferrosos.
- O cobre e as ligas de cobre passam por recozimento, têmpera e outros processos de tratamento térmico.
- Recozimento, tratamento térmico de solução, envelhecimento natural e artificial e outras técnicas de tratamento térmico são opções viáveis para o alumínio.
Nem todo material é passível de diversas formas de tratamento térmico. Da mesma forma, nem todos os métodos produzirão necessariamente benefícios significativos para um único material. Para obter o resultado desejado, o materiais devem ser examinados individualmente.
Vários tipos de técnicas de tratamento térmico
Existem várias técnicas de tratamento térmico para melhorar as propriedades mecânicas dos metais. Esses diferentes métodos são explicados abaixo:
Endurecimento
O processo de endurecimento é um método de tratamento térmico amplamente utilizado para aumentar a dureza dos metais. Em certos casos, apenas a superfície do metal é endurecida. Para alcançar o endurecimento, a peça é aquecida a uma temperatura específica, normalmente entre 800 e 900°C. Em seguida, é rapidamente resfriado por têmpera em um meio de resfriamento, como óleo, salmoura, polímeros ou água.
No entanto, tipos de aço com alto teor de elementos de liga requerem temperaturas de aquecimento mais elevadas, variando de 980 a 1110°C. O resfriamento rápido é crucial para a maioria dos materiais de aço, pois o estágio de resfriamento influencia o nível de dureza. O endurecimento aumenta a dureza e a resistência do aço, reforçando a resistência da estrutura treliçada. No entanto, também pode levar ao aumento da fragilidade.
Temperamento
O revenido trata do aquecimento do aço a uma temperatura específica (abaixo de sua temperatura de endurecimento), mantendo-o nessa temperatura pelo tempo necessário e depois resfriando-o, normalmente em ar parado. A temperatura de revenido determina a resistência, dureza e flexibilidade resultantes.
A maioria das aplicações exige revenido para peças temperadas, sempre conduzido em temperaturas inferiores ao ponto crítico baixo do aço. Para aço endurecido, o revenido começa a 212°F e progride à medida que a temperatura sobe em direção ao ponto crítico baixo. A escolha de uma temperatura de revenimento específica pode determinar a dureza e a resistência resultantes.
O tempo mínimo de revenimento deve ser de 1 hora e a taxa de resfriamento geralmente não afeta o aço. As peças de aço são comumente resfriadas a ar após o revenido, mas algumas requerem têmpera para evitar fragilidade. No entanto, a dureza final do aço temperado varia de acordo com a composição do aço.
Recozimento
O recozimento é um método em que uma peça metálica é aquecida a uma temperatura definida, mantida nessa temperatura e depois resfriada lentamente. Este processo alivia tensões residuais causadas por ações como corte ou trabalho a frio. O recozimento de metal aumenta a ductilidade e diminui a fragilidade, reduzindo a dureza, a resistência à tração e o limite de escoamento.
O objetivo principal do recozimento é tornar os metais mais adequados para processos de fabricação como moldagem, conformação, estampagem, forjamento, dobra e hidroformação. O alívio de tensões envolve aquecer o metal a uma temperatura relativamente baixa e permitir que ele esfrie uniformemente. A temperatura recomendada é abaixo de 1000°F para cobre ou aço e abaixo de 400°F para alumínio.
No entanto, o recozimento é conduzido em temperaturas significativamente mais altas — 1600°F (870°C) ou mais para cobre e aço, 600°F (315°C) ou mais para alumínio. Isso pode fornecer mais alívio de tensão em comparação a um processo de tratamento de alívio de tensão mais direto. Os tratamentos de recozimento são aplicados a todos os tipos de metal usando fornos a vácuo, endotérmicos e de ar.
Normalizando
A normalização é um método que elimina tensões internas em metais ferrosos após processos de trabalho a frio, como laminação, estampagem, martelamento, etc. Apesar disso, os aços normalizados são mais tenazes e resistentes do que o aço recozido. Como resultado, a normalização é típica para peças de aço expostas ao impacto e que exigem máxima tenacidade e resistência a tensões externas.
O processo de normalização envolve:
- Aquecimento do material metálico a uma temperatura específica entre 810 – 930°C, dependendo do tipo de aço
- Garantindo aquecimento uniforme embebendo o metal
- Resfriando no ar parado
É essencial observar que a normalização no tratamento térmico do aço envolve temperaturas mais elevadas do que os processos de endurecimento e recozimento. O objetivo principal é eliminar as tensões internas desenvolvidas após o trabalho a frio. A normalização também melhora as propriedades elétricas e mecânicas, a usinabilidade e a resistência à tração, restaurando a estrutura às condições normais.
Carburação
Este processo aumenta a dureza superficial do aço através da introdução de átomos de carbono em sua superfície e subsuperfície. Isso fortalece a superfície da peça metálica, melhora sua microestrutura e melhora as propriedades mecânicas por meio da difusão de carbono. A profundidade da difusão do carbono depende de fatores como o nível de carbono na atmosfera, o tipo de material, a temperatura e a duração da exposição a essa temperatura.
O endurecimento ocorre após a têmpera da peça. A cementação aumenta a dureza superficial e melhora a resistência à fadiga e ao desgaste. É mais utilizado para aços com baixo teor de carbono, variando de 0.05% a 0.3%. Pode ser aplicado em peças de complexidade variada. A cementação é o tratamento preferido para metais que exigem maior resistência ao desgaste, durabilidade e resistência à fadiga para as aplicações pretendidas em temperaturas que variam de 850°C a 1000°C.
Nitretação
A nitretação é um processo termoquímico de endurecimento que aumenta a dureza, a vida à fadiga e a resistência ao desgaste das peças metálicas. A nitretação envolve a difusão de nitrogênio na superfície do metal para obter o efeito de endurecimento desejado. O processo envolve o tratamento térmico de um material ferroso e sua exposição a temperaturas subcríticas controladas com nitrogênio ativo.
Temperaturas que variam de 400°C a 590°C são aplicadas durante a exposição ao nitrogênio ativo, garantindo que permaneçam abaixo da temperatura final de revenido para preservar as propriedades mecânicas do metal. A nitretação é mais eficaz em materiais de liga de aço contendo elementos que formam nitretos, facilitando a fácil formação de precipitados de nitreto de liga com nitrogênio.
Além de seu efeito de endurecimento, a nitretação confere propriedades antigripantes, anti-gripagem e anti-soldagem à peça metálica. Metais nitretados podem manter sua dureza em temperaturas de até 1000°F. Essas características tornam os metais nitretados altamente adequados para diversas aplicações, incluindo matrizes, rolamentos, engrenagens, bicos de pulverização, eixos, parafusos de alimentação, válvulas, anéis de pistão, etc.
Cianetação
Neste processo, o metal sofre aquecimento na presença de cianeto de sódio. Isto leva à deposição de átomos de nitrogênio e carbono em sua superfície, aumentando a dureza. A peça metálica é imersa em um banho de sal de cianeto fundido mantido a 950 graus Celsius durante a cianetação.
Os sais fundidos utilizados incluem cloreto de sódio, carbonato de sódio, cianeto de sódio e carbonato de sódio. A peça imersa permanece no cianeto fundido a 950°C por 15 a 20 minutos. A decomposição do cianeto de sódio produz carbono e nitrogênio a partir do monóxido de carbono, difundindo-os na superfície e causando seu endurecimento. Posteriormente, a peça é retirada do banho e temperada em óleo ou água.
Endurecimento de capa
No caso do processo de endurecimento, a camada externa da peça metálica é endurecida enquanto a interna permanece macia. Metais como aço e ferro, que possuem baixo teor de carbono, requerem infusão adicional de carbono na superfície. Normalmente usado como etapa final após a usinagem, o endurecimento envolve alto calor e outros produtos químicos e elementos para criar uma camada externa endurecida. Como o endurecimento pode tornar os metais mais frágeis, o endurecimento é benéfico para aplicações que necessitam de um metal flexível com uma camada de desgaste durável.
Fatores que afetam o processo de tratamento térmico
Uma variedade de variáveis influencia o tratamento térmico de metais. Verifique os seguintes fatores:
Temperatura e tempo
O tempo e a temperatura são essenciais no tratamento térmico do metal, influenciando as etapas de aquecimento, imersão e resfriamento. A investigação indica o seu papel fundamental na alteração das propriedades mecânicas e da microestrutura e, por exemplo, o aumento da taxa de arrefecimento do aço (têmpera) em 1000°C por minuto resulta numa nova microestrutura (martensite).
Composição de liga metálica
O tratamento térmico de metais também é afetado pelos elementos de liga. Esses elementos retardam a difusão dos átomos através das redes de ferro, atrasando assim as transformações alotrópicas.
Além disso, elementos de liga como manganês, níquel, molibdênio e boro contribuem para aumentar a dureza. Eles permitem o revenido em temperaturas mais altas, resultando em maior flexibilidade. Consequentemente, a composição do metal influencia o processo de tratamento térmico.
Taxa de deformação
Em muitos casos, vários processos de tratamento térmico levam a diferentes deformações e alterações nas dimensões das peças. A extensão da deformação está ligada aos seguintes fatores:
- A estrutura inicial do material metálico antes do tratamento térmico.
- O método específico de tratamento térmico e sua colocação no forno.
- A distribuição do estresse.
Consequentemente, a extensão da deformação impacta o processo de tratamento térmico dos metais.
Conclusão
A aplicação de tratamento térmico em metais é um método eficaz para melhorar suas propriedades mecânicas. Também pode melhorar as características magnéticas e elétricas de um metal, além de suas propriedades físicas. Vários procedimentos de tratamento térmico podem ser empregados para melhorar o produto, mas para alcançar os resultados desejados é necessária a experiência de profissionais qualificados.
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