Tratamento térmico de metais: tudo o que precisa de saber

Os utilizadores de metais na indústria transformadora aprenderam a melhorar uma vasta variedade de metais. Isto é feito sobretudo para adaptar as suas propriedades à tarefa em questão, como a reação à usinagem de precisão.

Existem inúmeros métodos para melhorar os metais, um dos quais inclui o tratamento térmico de metais. Este processo pode alterar várias propriedades diferentes, incluindo resistência, conformabilidade, elasticidade, dureza, ductilidade e maquinabilidade.

Como o tema deste artigo indica, este artigo centra-se em tudo o que precisa de saber sobre o tratamento térmico de metais.

O que é o tratamento térmico de metais

O tratamento térmico é um processo geral que recorre a operações de aquecimento e arrefecimento em vários níveis faseados para alterar as propriedades físicas dos metais (microestrutura), como o aço, o alumínio e muitos outros. O principal objetivo deste tratamento é melhorar as propriedades físicas e estruturais para uma utilização específica ou para trabalho futuro do metal.

Existe uma vasta variedade de processos de tratamento térmico, entre os quais a cementação, o recozimento, o revenido, a descarbonetação, a normalização, a cementação, o envelhecimento, a têmpera e outros. Embora cada um destes tratamentos térmicos produza resultados diferentes no metal, todos envolvem três etapas básicas. Estas etapas incluem o aquecimento, a manutenção à temperatura e o arrefecimento.

As vantagens do tratamento térmico de metais

No mundo da indústria transformadora, o tratamento térmico de metais é geralmente utilizado e é um processo de aquecimento e arrefecimento rigorosamente controlado. O tratamento térmico não só torna o metal mais duro, como também o torna mais macio. O amaciamento permite realizar operações de trabalho nos metais, como forjamento a frio, usinagem, estampagem profunda e muitas outras. O tratamento térmico de metais é vantajoso e inclui o seguinte:

• Melhoria da maquinabilidade ou trabalhabilidade:

O tratamento térmico ajuda a melhorar a fabricabilidade de um metal. Isto é conseguido através da eliminação das tensões internas resultantes de processos de fabrico anteriores, como trabalho a quente, trabalho a frio, usinagem, soldadura e estampagem. Por exemplo, se um metal for muito difícil de dobrar ou maquinar, pode ser submetido a recozimento ou alívio de tensões. Isto ajudará a reduzir a dureza desse material. Se um material se deformar durante a usinagem, para evitar a deformação, o material pode ser recozido ou submetido a alívio de tensões. O tratamento térmico por indução ou por chama também pode ser utilizado para amaciar uma área específica do metal, deixando a parte restante do metal intacta.

• Melhoria da durabilidade e da resistência ao desgaste

Existem vários processos de tratamento térmico. Alguns destes processos podem ser utilizados para melhorar a resistência ao desgaste através do endurecimento dos metais envolvidos. Metais como o titânio, o aço, o Inconel e algumas ligas de cobre podem ser endurecidos à superfície (cementação) ou em profundidade (endurecimento total). Isto é feito para tornar o material mais forte, mais durável, mais tenaz e mais resistente ao desgaste. Este método é o melhor método geralmente utilizado para aumentar a durabilidade de aços económicos, incluindo o 1018 ou o A-36.

O endurecimento localizado pode ser feito por indução ou por chama. Isto também pode ajudar a endurecer uma peça específica, deixando a parte restante do material intacta ou inalterada. Por último, a nitruração é utilizada para endurecer a superfície da peça a baixas temperaturas, de modo a reduzir a distorção.

• Melhoria da tenacidade e da resistência

A tenacidade e a resistência são um compromisso, uma vez que o aumento da resistência medida pela dureza pode ajudar a reduzir a tenacidade e introduzir fragilidade. Consequentemente, o tratamento térmico pode afetar a resistência à tração, o limite de elasticidade e a tenacidade à fratura. O endurecimento total ou a cementação ajudarão a aumentar a resistência do material. No entanto, o material terá de ser revenido ou temperado para reduzir a fragilidade. A extensão do revenido é determinada pela resistência final exigida na peça. Além disso, se o material recebido for demasiado frágil, pode ser tratado termicamente, seja por novo revenido ou por recozimento, para o tornar mais utilizável (dúctil).

• Melhoria das propriedades magnéticas

Muitos metais, incluindo o 316 ou o 1008, tendem a adquirir magnetismo, que é medido como permeabilidade magnética. Isto ocorre sobretudo quando os materiais em questão são encruados por métodos como usinagem, estampagem, conformação e dobragem. Além de adquirirem magnetismo, existe um tipo específico de processo de recozimento que ajuda a reduzir a permeabilidade magnética. É importante realizá-lo se a peça tiver aplicação num ambiente eletrónico.

Que metais podem ser tratados termicamente?

No mundo do tratamento térmico, os metais ferrosos representam a maioria dos materiais tratados termicamente. Cerca de 80% dos metais ferrosos tratados termicamente são os diferentes tipos de aço. Outros exemplos de metais ferrosos suscetíveis de tratamento térmico incluem o aço inoxidável e o ferro fundido. No entanto, outros metais, incluindo o magnésio, o alumínio, o níquel, o titânio, o latão, as ligas de cobre e muitos mais, são suscetíveis de tratamento térmico.

Tratamento térmico do alumínio

O tratamento térmico do alumínio ajuda a reforçar e endurecer um subconjunto específico de ligas de alumínio. Isto inclui ligas forjadas e fundidas que são endurecíveis por precipitação. Estas ligas de alumínio endurecíveis por precipitação incluem as séries 2XXX, 6XXX, 7XXX e 8XXX. O recozimento também pode ser necessário para peças que sofreram encruamento durante o seu processo de conformação.

O tratamento térmico típico do alumínio inclui recozimento, envelhecimento natural e artificial, homogeneização e tratamento térmico de solubilização. Embora o tratamento térmico do alumínio difira de outros metais como o aço, a temperatura do forno pode variar entre 240 e 1000 °F, dependendo do processo exato utilizado.

Tratamento térmico do aço

Como referido anteriormente, o metal ferroso mais tratado termicamente é o aço. O ajuste do teor de carbono do aço é o tratamento térmico mais simples do aço. Isto ajuda a alterar as propriedades mecânicas do aço. Alterações adicionais são feitas por tratamento térmico — por exemplo, acelerando a taxa de arrefecimento através do ponto de transformação austenite-ferrite. Além disso, aumentar a taxa de arrefecimento do aço perlítico (0,77% de carbono) para cerca de 200 °C por minuto gera uma DPH de cerca de 300, e o arrefecimento a 400 °C por minuto eleva a DPH para cerca de 400. O aumento da dureza deve-se à formação de uma microestrutura de perlite e ferrite mais fina, que pode ser obtida durante o arrefecimento lento ao ar ambiente.

Em geral, os processos de tratamento térmico habitualmente utilizados para o aço incluem recozimento, têmpera, revenido, boretação, cementação, endurecimento superficial, nitruração, descarbonetação, cianetação e muitos mais. No entanto, não é necessário que todos os tipos de aço passem por todos os tratamentos térmicos mencionados, mas todo o aço tem de ser tratado.

Tratamento térmico do aço inoxidável

Outro metal suscetível de tratamento térmico é o aço inoxidável. No caso do aço inoxidável, este é geralmente tratado com base no tipo ou no tipo de liga. Métodos de tratamento térmico, incluindo endurecimento, alívio de tensões e recozimento, ajudam a reforçar as propriedades de resistência à corrosão e ductilidade do aço inoxidável durante o fabrico. Também ajudam a gerar uma estrutura dura capaz de resistir à abrasão e a elevadas tensões mecânicas.

O tratamento térmico do aço inoxidável é feito sobretudo em condições controladas para evitar a descarbonetação, a carbonetação e a formação de carepa na superfície do aço inoxidável. Os métodos habitualmente utilizados no tratamento térmico do aço inoxidável incluem recozimento (recozimento por têmpera, recozimento de processo e recozimento de estabilização), endurecimento, alívio de tensões e muitos mais.

Tratamento térmico do titânio

O titânio e as suas ligas são submetidos a tratamento térmico para reduzir as tensões residuais desenvolvidas durante o fabrico (alívio de tensões). Além disso, conduz à obtenção de uma combinação ótima de estabilidade dimensional e maquinabilidade (recozimento). Para aumentar a resistência do titânio e da sua liga, utilizam-se o tratamento de solubilização e o envelhecimento. No que diz respeito ao tratamento térmico, as ligas de titânio classificam-se como ligas Alfa, quase Alfa, Alfa-Beta ou Beta.

• Embora as ligas Alfa e quase Alfa de titânio possam ser sujeitas a alívio de tensões e recozimento, a elevada resistência não pode ser desenvolvida por qualquer tipo de tratamento térmico
• As ligas Beta comerciais são consideradas ligas de titânio Beta metaestáveis. Quando expostas a temperaturas elevadas selecionadas, a fase Beta retida decompõe-se e ocorre o reforço do material. Para obter ligas Beta, o envelhecimento e o tratamento de alívio de tensões podem ser combinados, enquanto o recozimento e o tratamento de solubilização podem ser operações idênticas.
• Como o nome indica, as ligas Alfa-Beta são ligas bifásicas que compreendem tanto a fase Alfa como a fase Beta. Parecem ser as mais versáteis e as mais comuns das três variedades de ligas de titânio.

Tratamento térmico do cobre

O cobre, enquanto metal, apresenta uma cor agradável, mas as características mais importantes do cobre são a sua elevada condutividade térmica e elétrica, resistência, maquinabilidade, boa resistência à corrosão, ausência de magnetismo e facilidade de fabrico. Os produtos finais do fabrico do cobre são geralmente descritos como produtos de fundição e de laminagem. Estes podem incluir cabos e fios, tiras, varões, tubos, fundidos, formas de metalurgia dos pós, chapas, placas, barras, forjados e muito mais. Os produtos acima referidos são fabricados com cobre e as suas ligas e podem ser sujeitos a tratamento térmico para uma vasta variedade de finalidades.

Os métodos de tratamento térmico mais utilizados para o cobre incluem homogeneização, alívio de tensões, recozimento, endurecimento por precipitação e muitos outros.

Métodos comuns de tratamento térmico

Recozimento

O recozimento é um método de tratamento térmico que consiste em aquecer um metal a uma determinada temperatura e depois arrefecer esse mesmo metal a um ritmo lento que produza uma microestrutura refinada. Este processo pode ser realizado de forma total ou parcial, separando os constituintes. Este método é habitualmente utilizado para amolecer um metal para trabalho a frio, de modo a melhorar as suas características ou propriedades, como a maquinabilidade, a condutividade elétrica, a ductilidade e a tenacidade.

É benéfico no alívio das tensões no metal que surgem em resultado de processos anteriores de trabalho a frio. Durante a recristalização, a deformação plástica ocorrida é eliminada quando a temperatura do metal ultrapassa a temperatura crítica superior.

Utilizando este método de tratamento térmico, as peças a tratar podem ser sujeitas a uma vasta variedade de técnicas. Estas técnicas incluem, entre outras, o recozimento parcial, o recozimento total, a recristalização e o recozimento final.

As ligas ferrosas podem ser sujeitas a recozimento de processo ou a recozimento total. Neste caso, o recozimento de processo envolve um ritmo de arrefecimento mais rápido, até à normalização inclusive, para produzir uma microestrutura uniforme. O recozimento total, por outro lado, envolve um arrefecimento lento para produzir uma forma de perlite grosseira.

Quanto aos metais não ferrosos, estes são maioritariamente sujeitos a uma vasta variedade de métodos de recozimento. Isto inclui recozimento parcial, recozimento total, recozimento de recristalização e recozimento final.

Normalização

A técnica de tratamento térmico de normalização é utilizada quando é necessário o alívio das tensões internas. Estas tensões podem ser causadas por processos como fundição, soldadura ou têmpera. Este processo requer o aquecimento das peças metálicas a uma temperatura 40 °C superior à sua temperatura crítica superior.

Outra utilidade da normalização é proporcionar uniformidade de tamanho e composição quando se pretende criar uma liga. A normalização também pode ser utilizada em ligas ferrosas austenitizadas que tenham sido arrefecidas ao ar livre.

Esta técnica é benéfica porque produz martensite, perlite e até bainite. Isto produz aço mais duro e mais resistente do que o aço recozido. É um facto que o aço normalizado é mais tenaz do que qualquer aço tratado termicamente. Por este motivo, as peças que têm de suportar cargas externas elevadas ou que se destinam a aplicações que exigem resistência ao impacto são sempre normalizadas. Isto ajudará a peça a cumprir os requisitos exigidos para o projeto.

Alívio de tensões

Quando algumas peças são sujeitas a processos como conformação, laminagem, endireitamento ou maquinagem, ficam com determinadas tensões internas. Para aliviar estas tensões internas, utiliza-se a técnica de tratamento térmico de alívio de tensões.

A técnica de tratamento térmico de alívio de tensões é utilizada para reduzir ou eliminar as tensões acumuladas numa peça devido a atividades técnicas anteriores realizadas sobre essa peça. É maioritariamente realizada aquecendo as peças a uma temperatura inferior à temperatura crítica e depois arrefecendo-as de forma uniforme.

A técnica de tratamento térmico de alívio de tensões é utilizada em artigos como caldeiras, reservatórios de ar, vasos de pressão e muitos outros.

Envelhecimento

O envelhecimento é também conhecido como endurecimento por precipitação. Esta técnica de tratamento térmico é sobretudo conhecida pela sua aplicação no aumento da tensão de cedência de metais maleáveis. O mecanismo de ação desta técnica produz partículas uniformemente dispersas na estrutura granular do metal, o que resulta em alterações das propriedades.

Após a técnica de tratamento térmico que atinge temperaturas elevadas surge o endurecimento por precipitação. O envelhecimento, por sua vez, apenas eleva a temperatura até um nível ótimo e volta a baixá-la rapidamente.

Enquanto alguns metais envelhecem naturalmente (à temperatura ambiente), outros envelhecem artificialmente — essencialmente, com temperaturas elevadas. É muito fácil armazenar metais de envelhecimento natural a temperaturas mais baixas. Os ligas de envelhecimento natural em algumas aplicações são mantidas no congelador para evitar o endurecimento até ao momento da sua utilização. As ligas que podem sofrer endurecimento por precipitação incluem uma liga de alumínio (séries 2000, 6000 e 7000), aço (aço maraging) e muitas outras.

Têmpera

A têmpera ou endurecimento por têmpera envolve o aquecimento das peças acima da sua temperatura crítica superior e o rápido retorno da temperatura dessa peça à temperatura ambiente. O retorno à temperatura ambiente é feito colocando o metal quente em óleo, salmoura, um polímero dissolvido em água ou outro líquido adequado para endurecer totalmente a estrutura. Este processo é realizado de forma rápida. A têmpera é feita tanto para ligas ferrosas como para ligas não ferrosas. Enquanto o metal não ferroso produz peças mais macias do que o normal, as ligas ferrosas produzem uma peça mais dura.

A dureza após têmpera da peça desejada depende do método de têmpera utilizado e da composição química do metal. A têmpera é feita para metais ferrosos, incluindo ferro e aço, e metais não ferrosos, incluindo ligas de níquel, cobre, alumínio e muitas outras. No entanto, a maioria dos metais não ferrosos produz um efeito oposto quando são temperados. Tais materiais incluem alumínio, cobre ou níquel, aço inoxidável austenítico como 316 e 304.

Endurecimento

No domínio do tratamento térmico, o endurecimento é a técnica mais comum utilizada para aumentar a dureza das peças. Em algumas situações, apenas a superfície destas peças é endurecida.

Para isso, a peça desejada para tratamento térmico é endurecida por tratamento térmico até uma temperatura especificada e depois é rapidamente arrefecida por inserção num meio de arrefecimento. O meio de arrefecimento a utilizar inclui, entre outros, salmoura, água ou óleo. O produto final do tratamento térmico por endurecimento aumentará a resistência e a dureza, no entanto, a fragilidade do material aumentará simultaneamente.

Um tipo de processo de endurecimento é o endurecimento superficial, no qual apenas as peças metálicas apresentam dureza na camada exterior. Isto significa que a peça resultante terá um núcleo mais macio mas uma camada exterior mais dura. Esta dureza da camada exterior é comum em veios porque protege a sua camada exterior do desgaste do material.

Revenido

O revenido é uma técnica de tratamento térmico utilizada para aumentar a resiliência de ligas à base de ferro, como o aço. Embora as ligas à base de ferro apresentem um elevado nível de dureza, são frequentemente demasiado frágeis para serem utilizadas na maioria das aplicações. Como resultado, o revenido é utilizado para alterar a ductilidade, a dureza, a resistência e a fragilidade, de modo a facilitar a maquinagem. Para isso, a peça é submetida a tratamento térmico abaixo do ponto crítico, uma vez que uma temperatura mais baixa reduz a fragilidade mantendo a dureza da peça. Por outro lado, se for necessária uma maior plasticidade com menor dureza e resistência, é necessária uma temperatura mais elevada.

Outra abordagem consiste em adquirir peças que já foram endurecidas ou endurecer a peça antes da maquinagem. Ao contrário de um processo de tratamento pós-maquinagem, pode ser difícil de maquinar, mas elimina o risco de alterações nas dimensões da peça. Este processo também ajuda a eliminar a necessidade de uma oficina de retificação para obter tolerâncias ou acabamentos apertados.

Descarbonetação

A descarbonetação envolve a remoção de carbono da superfície das peças desejadas, quer através do processo normal de envelhecimento por oxidação, quer pela aplicação de calor. É um fenómeno de degradação superficial no tratamento térmico e no forjamento do aço. Também pode ser descrita como um processo metalúrgico no qual a superfície do aço é esgotada do seu teor de carbono. Isto é feito principalmente por ação química ou aquecendo a peça de aço acima da temperatura crítica inferior.

O teor de carbono do metal influencia a dureza do metal. Durante o processo de descarbonetação, o carbono difunde-se da superfície do metal, levando assim ao enfraquecimento do metal. Embora o processo reduza a resistência do metal, também aumenta a deformação por corte abaixo da superfície do metal. Também diminui a resistência à fadiga, enquanto a taxa de desgaste e o crescimento de fissuras aumentam.

Processo comum de tratamento térmico

Existe uma vasta variedade de técnicas de tratamento térmico utilizadas no domínio da fabricação. Cada técnica de tratamento térmico tem resultados diferentes, mas têm etapas comuns, incluindo:

• Aquecimento
• Patamar de aquecimento
• Arrefecimento

Aquecimento

Na maioria dos processos de tratamento térmico, o aquecimento é a primeira etapa. Muitas das ligas tratáveis termicamente alteram a sua estrutura sempre que são aquecidas a uma temperatura específica. À temperatura ambiente, a estrutura de uma liga pode ser uma solução sólida, uma mistura mecânica ou uma combinação de mistura mecânica e solução sólida.

Por exemplo, uma mistura mecânica pode ser comparada ao betão, tal como a areia e o cascalho são mantidos numa só peça pelo cimento. Da mesma forma, numa mistura mecânica, os elementos e compostos são visíveis e são mantidos unidos por uma matriz de metais base.

Uma solução sólida designa uma solução em que dois ou mais metais são absorvidos noutro para formar uma só peça. Assim, quando uma liga está na forma de solução sólida, os elementos e compostos que constituem a peça estão absorvidos uns nos outros.

À temperatura ambiente, o metal na sua forma de mistura mecânica passa para uma solução parcial, ou solução sólida, quando é aquecido. Durante este processo, as propriedades químicas e a composição da peça podem ser alteradas no tamanho de grão e na estrutura. Existe a possibilidade de a liga acabar num dos três estados explicados anteriormente, dependendo da técnica utilizada.

Patamar de aquecimento

Esta etapa é também considerada a etapa de manutenção, na qual o metal sujeito a tratamento térmico é mantido à temperatura exigida. O metal deve permanecer a esta temperatura até o calor estar uniformemente distribuído, o que se designa por patamar de aquecimento. A duração do tempo que permanecerá a esta temperatura depende dos requisitos. Por exemplo, quanto maior for a massa da peça, mais tempo demora o patamar de aquecimento da peça. Outro fator que afeta a duração é o tipo de material.

Arrefecimento

Depois de a peça ter atingido corretamente o patamar de aquecimento, o passo seguinte é arrefecê-la. Aqui, a estrutura da peça pode sofrer alterações de uma composição química para outra, pode regressar à sua forma original ou permanecer igual. Dependendo da velocidade de arrefecimento e do tipo de metal, um metal em solução sólida pode manter-se igual durante o arrefecimento, transformar-se numa combinação das duas formas ou transformar-se numa mistura mecânica. É um facto interessante que o resultado é previsível, pelo que se prevê que a peça acabe como esperado.

Consequentemente, uma vasta variedade de metais pode ser conformada em estruturas específicas para aumentar a sua tenacidade, dureza, resistência à tração, ductilidade e muitas outras propriedades.

Equipamento necessário para o tratamento térmico

Para obter um processo de tratamento térmico bem-sucedido, é necessário um controlo rigoroso de todos os fatores que afetam o aquecimento e o arrefecimento da peça. Este controlo só é possível quando o equipamento adequado está disponível e se ajusta corretamente aos requisitos do projeto. Assim, o forno a utilizar deve ser do tipo e tamanho adequados, nos quais a temperatura deve ser controlada e mantida dentro dos limites prescritos para cada operação.

Além disso, as condições atmosféricas no interior do forno podem afetar o estado das peças a tratar termicamente. Para além disso, o meio de têmpera e o equipamento de têmpera devem ser escolhidos de acordo com o material utilizado e o processo de tratamento térmico. Por último, deve haver meios para o manuseamento de peças e materiais, o endireitamento de peças e a limpeza de metais. Seguem-se os diferentes tipos de fornos necessários para o processo de tratamento térmico:

• Forno descontínuo: constituído por câmaras isoladas com um sistema de aquecimento, uma carcaça de aço e acesso à câmara.
• Forno tipo campânula: constituído por coberturas removíveis designadas por campânulas, que podem ser baixadas sobre a carga e o soleira por meio de uma ponte rolante.
• Forno tipo caixa: a maioria foi atualizada para um forno descontínuo semicontínuo, com características que incluem câmaras de arrefecimento lento e tanques de têmpera integrados.
• Forno tipo carro: também designado por soleira móvel, é um forno descontínuo extremamente grande com um carro isolado móvel que pode ser deslocado para dentro e para fora do forno.
• Forno tipo elevador: a soleira e o carro são deslocados para a posição sob o forno, ao contrário do forno tipo carro.
• Forno de leito fluidizado: constituído por uma retorta cilíndrica produzida em liga de alta temperatura.
• Forno de poço: o forno é construído numa cova e estende-se até ao nível do pavimento ou ligeiramente acima.
• Forno de banho de sal: utiliza uma variedade de sais para o tratamento térmico.

Resumo

Em conclusão, o tratamento térmico é uma forma de utilizar técnicas controladas de aquecimento e arrefecimento para alterar as propriedades físicas dos metais e melhorá-los. Como resultado, esses metais passam a poder ser utilizados numa grande variedade de indústrias. Além disso, o tratamento térmico é uma parte essencial do processo de usinagem de precisão para transformar peças e garantir que as suas peças tenham o desempenho esperado nos seus projetos.