What Is Heat Treatment? Métodos & Benefícios

O tratamento térmico é o processo de aquecimento e resfriamento de metais, usando métodos específicos pré-determinados para obter as propriedades desejadas. Tanto os metais ferrosos como não ferrosos são submetidos a tratamento térmico antes de serem utilizados.

Todos os anos, muitos métodos diferentes foram desenvolvidos. Ainda hoje, os metalúrgicos estão constantemente trabalhando para melhorar os resultados e a eficiência de custo desses processos.

Para isso eles desenvolvem novos cronogramas ou ciclos para produzir uma variedade de classes. Cada programação refere-se a uma taxa diferente de aquecimento, manutenção e resfriamento do metal.

Estes métodos, quando seguidos meticulosamente, podem produzir metais de padrões diferentes com propriedades físicas e químicas notavelmente específicas.

Os benefícios

Existem várias razões para realizar o tratamento térmico. Alguns procedimentos tornam o metal macio, enquanto outros aumentam a dureza. Eles também podem afetar a condutividade elétrica e térmica desses materiais.

Alguns métodos de tratamento térmico aliviam as tensões induzidas em processos anteriores de trabalho a frio. Outros desenvolvem propriedades químicas desejáveis para os metais. A escolha do método perfeito se resume realmente ao tipo de metal e às propriedades exigidas.

Em alguns casos, uma peça metálica pode passar por vários procedimentos de tratamento térmico. Por exemplo, algumas super ligas usadas na indústria aeronáutica podem passar por até seis etapas diferentes de tratamento térmico para otimizá-lo para a aplicação.

Etapas do processo de tratamento térmico

Em termos simples, o tratamento térmico é o processo de aquecer o metal, segurando-o a essa temperatura e depois resfriando-o de volta. Durante o processo, a peça metálica sofrerá alterações nas suas propriedades mecânicas. Isto acontece porque a alta temperatura altera a microestrutura do metal. E a microestrutura desempenha um papel importante nas propriedades mecânicas de um material.

O resultado final depende de muitos fatores diferentes. Estes incluem o tempo de aquecimento, tempo de manter a peça metálica a uma determinada temperatura, taxa de arrefecimento, condições circundantes, etc. Os parâmetros dependem do método de tratamento térmico, tipo de metal e tamanho da peça.

O curso deste processo, as propriedades do metal irão mudar. Entre essas propriedades estão a resistência elétrica, magnetismo, dureza, tenacidade, ductilidade, fragilidade e resistência à corrosão.

Aquecimento

Como já discutimos, a microestrutura das ligas irá mudar durante o tratamento térmico. O aquecimento é realizado de acordo com um perfil térmico prescrito.

Uma liga pode existir em um dos três estados diferentes quando aquecida. Pode ser uma mistura mecânica, uma solução sólida ou uma combinação de ambas.

Uma mistura mecânica é análoga a uma mistura de concreto onde o cimento une areia e cascalho. A areia e o cascalho ainda são visíveis como partículas separadas. Com ligas metálicas, a mistura mecânica é mantida junta pelo metal base.

Por outro lado, numa solução sólida, todos os componentes são misturados de forma homogénea. Isto significa que eles não podem ser identificados individualmente mesmo sob um microscópio.

Todos os estados trazem consigo qualidades diferentes. É possível alterar o estado através do aquecimento de acordo com o diagrama de fases. O resfriamento, no entanto, determina o resultado final. É possível que a liga acabe em um dos três estados, dependendo apenas do método.

Permanência

Durante a detenção, ou de molho, o metal é mantido à temperatura alcançada. A duração disso depende dos requisitos.

Por exemplo, o endurecimento de caixas só requer mudanças estruturais na superfície do metal a fim de aumentar a dureza superficial. Ao mesmo tempo, outros métodos precisam de propriedades uniformes. Neste caso, o período de retenção é maior.

O tempo de molha também depende do tipo de material e do tamanho da peça. As peças maiores precisam de mais tempo quando as propriedades uniformes são o objetivo. Apenas demora mais tempo para que o núcleo de uma peça grande atinja a temperatura requerida.

Refrigeração

Após a fase de imersão estar completa, o metal deve ser resfriado de forma prescrita. Nesta fase, também ocorrem alterações estruturais. Uma solução sólida no resfriamento pode permanecer a mesma, tornar-se uma mistura mecânica completa ou parcial, dependendo de vários fatores.

Meios diferentes como salmoura, água, óleo ou ar forçado controlam a taxa de resfriamento. A seqüência de meios de resfriamento mencionada acima está em ordem decrescente da taxa efetiva de resfriamento. A salmoura absorve o calor mais rapidamente, enquanto o ar é o mais lento.

Também é possível utilizar fornos no processo de arrefecimento. O ambiente controlado permite alta precisão quando o resfriamento lento é necessário.

Diagramas de fase

Cada liga metálica tem o seu próprio diagrama de fase. Como foi dito anteriormente, o tratamento térmico é feito de acordo com estes diagramas. Eles mostram as mudanças estruturais que ocorrem a diferentes temperaturas e diferentes composições químicas.

Vamos usar o diagrama de fase ferro-carbono como exemplo, já que este é o mais conhecido e amplamente ensinado nas universidades.

O diagrama de fase ferro-carbono é uma ferramenta importante quando se aprende sobre o comportamento de diferentes aços-carbono quando submetidos a tratamento térmico. O eixo x mostra o conteúdo de carbono na liga e o eixo y mostra a temperatura.

Nota que 2,14% do carbono é o limite onde o aço se torna ferro fundido,

O diagrama mostra várias regiões onde o metal existe em diferentes microstatos como austenita, cimentício, perolita. Estas regiões são marcadas pelos limites A1, A2, A3, e Acm. Nestas interfaces, ocorrem mudanças de fase quando o valor da temperatura ou do conteúdo de carbono passa por elas.

A1: O limite superior da fase cimentícia/ferrita.

A2: O limite onde o ferro perde o seu magnetismo. A temperatura na qual um metal perde o seu magnetismo também é chamada Curie temperature.

A3: A interface que separa a fase Austenita + Ferrite da fase γ (Gamma) austenita.

Acm: A interface que separa γ Austenita do campo Austenita + Cementite.

O diagrama de fases é uma ferramenta importante para considerar se o tratamento térmico será benéfico ou não. Cada estrutura traz consigo certas qualidades ao produto final e a escolha do tratamento térmico é feita com base nisso.

Métodos comuns de tratamento térmico

Existem várias técnicas de tratamento térmico para escolher. Cada uma delas traz consigo certas qualidades.

Os métodos mais comuns de tratamento pelo calor incluem:

• Recozimento
• Normalização
• Têmpera
• Têmpera
• Alívio de tensão
• Têmpera
• Carburização

Recozimento

Em recozimento, o metal é aquecido para além da temperatura crítica superior e depois arrefecido a uma velocidade lenta.

O recozimento é realizado para amolecer o metal. Torna o metal mais adequado para o trabalho e conformação a frio. Também melhora a maquinabilidade, ductilidade e tenacidade do metal.

O recozimento também é útil para aliviar tensões na peça causadas por processos anteriores de trabalho a frio. As deformações plásticas presentes são removidas durante a recristalização quando a temperatura do metal ultrapassa a temperatura crítica superior.

Os metais podem sofrer uma infinidade de técnicas de recozimento como o recozimento de recristalização, recozimento total, recozimento parcial e recozimento final.

Normalização

Normalização é um processo de tratamento térmico usado para aliviar tensões internas causadas por processos como soldagem, fundição ou têmpera.

Neste processo, o metal é aquecido a uma temperatura 40° C acima da sua temperatura crítica superior.

Esta temperatura é superior à utilizada para o têmpera ou recozimento. Depois de mantido a esta temperatura durante um determinado período de tempo, o metal é arrefecido em ar. A normalização cria uma granulometria e composição uniforme em toda a peça.

Os aços normalizados são mais duros e mais fortes que os aços recozidos. Na verdade, na sua forma normalizada, o aço é mais duro do que em qualquer outra condição. É por isso que as peças que necessitam de resistência ao impacto ou de suportar cargas externas maciças serão quase sempre normalizadas.

Têmpera

O processo de tratamento térmico mais comum de todos, a têmpera é utilizada para aumentar a dureza de um metal. Em alguns casos, somente a superfície pode ser endurecida.

Uma peça de trabalho é endurecida aquecendo-a à temperatura especificada, depois resfriando-a rapidamente submergindo-a em um meio refrigerante. Óleo, salmoura ou água podem ser usados. A peça resultante terá maior dureza e resistência, mas a fragilidade aumenta demasiado simultaneamente.

Case hardening é um tipo de processo de endurecimento em que apenas a camada exterior da peça de trabalho é endurecida. O processo usado é o mesmo, mas como uma fina camada externa é submetida ao processo, a peça de trabalho resultante tem uma camada externa dura mas um núcleo mais macio.

Esta é comum para eixos. Uma camada externa dura protege-a do desgaste do material. Ao montar um rolamento em um eixo, ele pode danificar a superfície e deslocar algumas partículas que então aceleram o processo de desgaste. Uma superfície endurecida fornece proteção contra isso e o núcleo ainda tem as propriedades necessárias para lidar com as tensões de fadiga.

Outros tipos de processos de endurecimento incluem endurecimento por indução, endurecimento diferencial e endurecimento por chama. O endurecimento por chama, entretanto, pode resultar em uma zona afetada pelo calor que é criada uma vez que a peça é resfriada.

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Têmpera

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Têmpera por precipitação é um método de tratamento térmico usado principalmente para aumentar a resistência ao escoamento de metais maleáveis. O processo produz partículas uniformemente dispersas dentro da estrutura granular de um metal que provocam mudanças nas propriedades.

Têmpera por precipitação geralmente vem após outro processo de tratamento térmico que atinge temperaturas mais altas. O envelhecimento, entretanto, apenas eleva a temperatura a níveis médios e a faz baixar rapidamente novamente.

Alguns materiais podem envelhecer naturalmente (à temperatura ambiente) enquanto outros apenas envelhecem artificialmente, ou seja, a temperaturas elevadas. Para materiais que envelhecem naturalmente, pode ser conveniente armazená-los a temperaturas mais baixas.

Alívio de tensão

Alívio de tensão é especialmente comum para peças de caldeiras, garrafas de ar, acumuladores, etc. Este método leva o metal a uma temperatura logo abaixo da sua borda crítica inferior. O processo de resfriamento é lento e portanto uniforme.

Isto é feito para aliviar tensões que se acumularam nas peças devido a processos anteriores, tais como conformação, usinagem, laminação ou endireitamento.

Tempering

Tempering é o processo de reduzir o excesso de dureza, e portanto a fragilidade, induzida durante o processo de endurecimento. As tensões internas também são aliviadas. Este processo pode tornar um metal adequado para muitas aplicações que necessitam de tais propriedades.

As temperaturas são normalmente muito mais baixas do que as temperaturas de têmpera. Quanto maior a temperatura utilizada, mais suave se torna a peça final de trabalho. A taxa de resfriamento não afeta a estrutura do metal durante a têmpera e, geralmente, o metal esfria em ar parado.

Carborização

Neste processo de tratamento térmico, o metal é aquecido na presença de outro material que libera carbono na decomposição.

O carbono liberado é absorvido pela superfície do metal. O conteúdo de carbono da superfície aumenta, tornando-o mais duro que o núcleo interno.

Que metais são adequados para tratamento térmico?

Embora os metais ferrosos representem a maioria dos materiais tratados termicamente, ligas de cobre, magnésio, alumínio, níquel, latão e titânio também podem ser tratados termicamente.

Sobre 80% dos metais tratados termicamente são diferentes graus de aço. Os metais ferrosos que podem ser tratados termicamente incluem ferro fundido, aço inoxidável e vários graus de aço para ferramentas.

Processos como endurecimento, recozimento, normalização, alívio de tensões, endurecimento de caixas, nitretação e têmpera são geralmente feitos em metais ferrosos.

Cobre e ligas de cobre são submetidos a métodos de tratamento térmico tais como recozimento, envelhecimento e têmpera.

Alumínio é adequado para métodos de tratamento térmico tais como recozimento, tratamento térmico de solução, envelhecimento natural e artificial. O tratamento térmico do alumínio é um processo de precisão. O âmbito do processo deve ser estabelecido e deve ser controlado cuidadosamente em cada etapa para as características desejadas.

Avidamente, nem todos os materiais são adequados para as formas de tratamento térmico. Da mesma forma, um único material não se beneficiará necessariamente de cada método. Portanto, cada material deve ser estudado separadamente para se obter o resultado desejado. Usando os diagramas de fase e as informações disponíveis sobre o efeito dos métodos acima mencionados é o ponto de partida.