4 Tipos de Tratamento Térmico do Aço

O tratamento térmico do aço é um processo que envolve o aquecimento, a manutenção da temperatura e o resfriamento do aço no estado sólido para alterar sua microestrutura interna e atingir as propriedades desejadas. O tratamento térmico pode eliminar defeitos em peças brutas, como fundidos e forjados, melhorar as propriedades de processamento do aço, como usinabilidade e conformabilidade, e aprimorar suas propriedades mecânicas. Ao explorar o potencial do aço, o tratamento térmico ajuda a reduzir custos de produção, melhorar o desempenho em serviço dos componentes e prolongar a vida útil do produto.

I. Resfriamento rápido

A têmpera do aço é um processo de tratamento térmico no qual o aço é aquecido a uma temperatura acima da temperatura crítica Ac3 para aço hipoeutetóide ou Ac1 para aço hipereutetóide, mantido nessa temperatura por um período para atingir a austenitização total ou parcial e, em seguida, resfriado rapidamente a uma taxa superior à taxa de resfriamento crítica até uma temperatura abaixo de Ms ou mantido isotermicamente próximo a Ms para promover a transformação martensítica.

O termo têmpera também é comumente usado para se referir ao tratamento de solubilização ou a qualquer tratamento térmico que envolva o resfriamento rápido de outros materiais, como ligas de alumínio , ligas de cobre e ligas de titânio.

Objetivo do resfriamento rápido

• Aprimorar as propriedades mecânicas de produtos ou peças metálicas semiacabadas. Por exemplo, aumentar a dureza e a resistência ao desgaste de ferramentas e rolamentos, melhorar o limite elástico de molas e aumentar as propriedades mecânicas gerais de componentes de eixos.
• Melhorar as propriedades materiais ou químicas de certos aços especiais. Exemplos incluem o aumento da resistência à corrosão do aço inoxidável ou para aumentar o magnetismo permanente do aço magnético.

Durante o resfriamento por têmpera, além de selecionar um meio de têmpera apropriado, o método de têmpera correto deve ser empregado. Os métodos de têmpera comuns incluem: têmpera em banho único, têmpera em banho duplo, têmpera em martensita, austêmpera e têmpera localizada.

Características do aço após têmpera

• A formação de microestruturas instáveis ​​ou fora do equilíbrio, como martensita, bainita e austenita retida.
• A presença de elevadas tensões internas ou tensões residuais.
• As propriedades mecânicas resultantes são normalmente inadequadas para uso. Portanto, as peças de aço geralmente requerem revenimento após a têmpera.

II. Têmpera

O revenimento é um processo de tratamento térmico que consiste em aquecer um produto ou peça metálica previamente temperada a uma temperatura específica, mantê-la nessa temperatura por um determinado período e, em seguida, resfriá-la a uma taxa controlada. O revenimento é realizado imediatamente após a têmpera e geralmente é a etapa final de um tratamento térmico. O processo combinado de têmpera e revenimento é frequentemente denominado tratamento final ou processo de têmpera e revenimento.

Finalidades da têmpera

• Reduz as tensões internas e diminui a fragilidade. Peças temperadas apresentam alta tensão e fragilidade e, sem revenimento adequado, são propensas a deformações ou mesmo fissuras.
• Ajustar as propriedades mecânicas da peça. Após a têmpera, a peça apresenta alta dureza e alta fragilidade. O revenimento é utilizado para ajustar a combinação de dureza, resistência, ductilidade (plasticidade) e tenacidade, de forma a atender aos diversos requisitos de desempenho de diferentes componentes.
• Estabilizar as dimensões da peça. O revenimento promove a estabilização da microestrutura, garantindo que não ocorram novas alterações dimensionais durante o uso subsequente.
• Melhorar a usinabilidade de certos aços-liga.
• Aumentar a estabilidade microestrutural, prevenindo alterações microestruturais durante a vida útil da peça e, assim, mantendo a geometria e o desempenho estáveis.
• Eliminar tensões internas, o que melhora o desempenho em serviço e estabiliza a geometria da peça.
• Ajustar as propriedades mecânicas do aço para atender aos requisitos de serviço.

Esses efeitos ocorrem porque temperaturas mais altas aumentam a mobilidade atômica, permitindo que átomos de ferro, carbono e outros elementos de liga se difundam mais rapidamente. Isso facilita o rearranjo e a recombinação de átomos, transformando gradualmente a microestrutura instável e fora do equilíbrio em uma microestrutura estável e em equilíbrio. A eliminação da tensão interna também está relacionada à diminuição da resistência do metal em temperaturas elevadas.

De modo geral, o revenimento do aço leva a uma diminuição da dureza e da resistência, e a um aumento da ductilidade. Quanto maior a temperatura de revenimento, maior a alteração nessas propriedades mecânicas. No entanto, alguns aços de alta liga, quando revenidos dentro de uma determinada faixa de temperatura, precipitam compostos metálicos finos, causando um aumento na resistência e na dureza. Esse fenômeno é conhecido como endurecimento secundário.

Requisitos de têmpera: Peças com diferentes aplicações devem ser temperadas em diferentes temperaturas para atender aos seus requisitos de serviço.

• Revenimento a baixa temperatura (150-250 °C): É utilizado em ferramentas, rolamentos, peças cementadas e temperadas, e peças com tratamento térmico de endurecimento superficial. O revenimento a baixa temperatura resulta em pouca alteração na dureza, redução das tensões internas e um ligeiro aumento na tenacidade.
• Revenimento a temperatura média (350-500°C): É utilizado em molas para obter alta elasticidade e a resistência necessária.
• Revenimento em alta temperatura (500-600°C): É aplicado a peças fabricadas em aço estrutural de médio carbono para obter uma combinação favorável de resistência e tenacidade.

Quando o aço é temperado em torno de 300 °C, sua fragilidade geralmente aumenta. Esse fenômeno é conhecido como fragilidade por revenido tipo I. O revenido nessa faixa de temperatura geralmente deve ser evitado. Alguns aços estruturais de liga média de carbono também são propensos a se tornarem quebradiços se resfriados lentamente até a temperatura ambiente após o revenido em alta temperatura. Isso é chamado de fragilidade por revenido tipo I.

A adição de molibdênio ao aço, ou o resfriamento rápido em óleo ou água durante o revenido, pode prevenir a fragilidade de revenido tipo II. O reaquecimento do aço suscetível à fragilidade de revenido tipo II até a alta temperatura original de revenido pode eliminar essa fragilidade.

Na indústria, o processo de têmpera é frequentemente classificado com base na temperatura de aquecimento, de acordo com as propriedades desejadas:

• Revenimento a baixa temperatura (150-250 °C): A microestrutura é martensítica revenida. Reduz a tensão interna e a fragilidade, melhora a ductilidade e a tenacidade, e mantém alta dureza e resistência ao desgaste. Utilizado em calibradores, ferramentas de corte e rolamentos.
• Revenimento a temperatura média (350-500 °C): A microestrutura é troostita. Apresenta alta elasticidade com certa ductilidade e dureza. Utilizado em molas e matrizes de forjamento.
• Revenimento em alta temperatura (500-650 °C): A microestrutura é sorbita. Proporciona excelentes propriedades mecânicas em geral. Utilizado em engrenagens e virabrequins.

A combinação de têmpera seguida de revenido em alta temperatura é chamada de têmpera e revenido, que resulta em alta resistência combinada com boa ductilidade e tenacidade.

III. Normalização

A normalização é um tratamento térmico projetado para melhorar a tenacidade do aço. Consiste em aquecer um componente de aço a uma temperatura de 30 a 50 °C acima da temperatura Ac3, mantê-lo nessa temperatura por um período e, em seguida, resfriá-lo ao ar livre, fora do forno. A principal característica é que a taxa de resfriamento é mais rápida do que a do recozimento, mas mais lenta do que a da têmpera. A normalização utiliza esse resfriamento ligeiramente mais rápido para refinar a estrutura granular do aço. Isso não só resulta em resistência satisfatória, como também melhora significativamente a tenacidade (medida pelo valor AKV) e reduz a suscetibilidade do componente à fissuração. As propriedades mecânicas gerais de algumas chapas de aço de baixa liga laminadas a quente, peças forjadas e fundidas de aço de baixa liga podem ser bastante melhoradas após a normalização, o que também facilita sua usinabilidade.

Aplicações da Normalização

Aço hipoeutetóide: A normalização é utilizada para eliminar estruturas de grãos grosseiros e superaquecidos, bem como estruturas Widmanstätten em peças fundidas, forjadas e soldadas, e para remover bandas em produtos laminados. Ela refina os grãos e pode servir como um tratamento térmico preliminar antes da têmpera.

Aço hipereutetóide: A normalização pode eliminar a rede ou película de contorno de grão da cementita secundária e refinar a perlita, o que não só melhora as propriedades mecânicas, como também facilita o recozimento de esferoidização subsequente.

Aço de baixo carbono: A normalização resulta em uma maior quantidade de perlita lamelar fina, aumentando a dureza para HB 140-190. Isso evita a aderência durante o corte e melhora a usinabilidade. Para aço de médio carbono, a normalização costuma ser mais econômica e conveniente quando tanto a normalização quanto o recozimento são opções viáveis.

Aço estrutural de médio carbono: Quando as exigências de propriedades mecânicas não são elevadas, a normalização pode substituir a têmpera e o revenido em alta temperatura. Isso simplifica a operação e estabiliza a microestrutura e as dimensões do aço.

Normalização a alta temperatura (150 a 200 °C acima de Ac3): Devido à alta taxa de difusão em temperaturas elevadas, esse processo pode reduzir a segregação de componentes em peças fundidas e forjadas. Os grãos grosseiros resultantes da normalização a alta temperatura podem ser refinados por uma segunda etapa de normalização subsequente a uma temperatura mais baixa.

Em certos aços-liga de baixo e médio teor de carbono usados ​​em turbinas a vapor e caldeiras, a normalização é frequentemente utilizada para obter uma estrutura bainítica, seguida de revenido em alta temperatura, o que proporciona boa resistência à fluência entre 400 e 550 °C.

Além de componentes e materiais de aço, a normalização é amplamente utilizada no tratamento térmico do ferro fundido dúctil (nodular) para obter uma matriz perlítica, aumentando assim sua resistência.

Como o resfriamento ao ar é característico da normalização, a temperatura do ar ambiente, o método de empilhamento, o fluxo de ar e o tamanho da peça influenciam a microestrutura e as propriedades resultantes. A microestrutura após a normalização também pode ser usada como método de classificação para aços-liga. Os aços-liga são tipicamente classificados em aços perlíticos, bainíticos, martensíticos e austeníticos com base na microestrutura obtida quando uma amostra de 25 milímetros de diâmetro é aquecida a 900 °C e resfriada ao ar.

IV. Recozimento

O recozimento é um processo de tratamento térmico de metais que consiste em aquecer lentamente o metal a uma temperatura específica, mantê-lo nessa temperatura por um tempo suficiente e, em seguida, resfriá-lo a uma taxa adequada. Os tratamentos térmicos de recozimento são classificados em recozimento completo, recozimento incompleto e recozimento para alívio de tensões. As propriedades mecânicas dos materiais recozidos podem ser verificadas por meio de ensaios de tração ou de dureza. Muitos aços são fornecidos na condição recozida. Para o ensaio de dureza do aço, pode-se utilizar o durômetro Rockwell e, para chapas, tiras e tubos de paredes finas, o durômetro Rockwell superficial.

Finalidades do Recozimento

• Melhorar ou eliminar diversos defeitos microestruturais e tensões residuais causadas por fundição, forjamento, laminação e soldagem, prevenindo assim a deformação e o aparecimento de fissuras na peça.
• Amoleça a peça para facilitar o trabalho. usinagem.
• Refinar a estrutura granular e melhorar a microestrutura para aprimorar as propriedades mecânicas da peça.
• Preparar a microestrutura para o tratamento térmico final.

Processos comuns de recozimento

Recozimento completo ou recozimento de homogeneização: É utilizado para refinar a microestrutura grosseira e superaquecida, com propriedades mecânicas deficientes, resultante da fundição, forjamento e soldagem de aços de médio e baixo carbono. A peça é aquecida a 30 a 50 °C acima da temperatura em que toda a ferrita se transforma em austenita, mantida nessa temperatura por um determinado período e, em seguida, resfriada lentamente no forno. Durante o resfriamento, a austenita se transforma novamente, resultando em uma microestrutura de aço refinada.

Recozimento de esferoidização: É utilizado para reduzir a alta dureza do aço ferramenta e do aço para rolamentos após a forjagem. A peça é aquecida a 20 a 40 °C acima da temperatura em que o aço começa a formar austenita, mantida nessa temperatura e, em seguida, resfriada lentamente. Durante o resfriamento, a cementita lamelar na perlita se transforma em partículas globulares ou esféricas, reduzindo a dureza.

Recozimento isotérmico: É utilizado para reduzir a alta dureza de certos aços estruturais de liga com alto teor de níquel e cromo para fins de usinagem. As peças são tipicamente resfriadas relativamente rápido até a temperatura na qual a austenita é mais instável, mantidas nessa temperatura por um tempo adequado, e então a austenita se transforma em troostita ou sorbita, o que reduz a dureza.

Recozimento de recristalização: É utilizado para eliminar o efeito de endurecimento por deformação (aumento da dureza, redução da ductilidade) em fios e chapas metálicas causado pela trefilação e laminação a frio. A temperatura de aquecimento geralmente fica entre 50 e 150 °C abaixo da temperatura na qual o aço começa a formar austenita. Essa faixa de temperatura é necessária para eliminar o efeito de endurecimento por deformação e amolecer o metal.

Recozimento de grafitização: É utilizado para transformar ferro fundido com alto teor de cementita em ferro fundido dúctil ou maleável com boa plasticidade. O processo envolve aquecer a peça fundida a cerca de 950 °C, mantê-la nessa temperatura por um determinado período e, em seguida, resfriá-la adequadamente, causando a decomposição da cementita e a formação de grafite floculenta.

Recozimento por difusão ou homogeneização: É utilizado para homogeneizar a composição química de peças fundidas de ligas e melhorar seu desempenho em serviço. O método consiste em aquecer a peça fundida à temperatura mais alta possível sem causar fusão e mantê-la nessa temperatura por um período prolongado. Isso permite que os diversos elementos da liga se difundam em direção a uma distribuição uniforme antes que a peça fundida seja resfriada lentamente.

Recozimento para alívio de tensões: É utilizado para eliminar tensões internas em peças fundidas de aço e componentes soldados. Para produtos de aço, o aquecimento a uma temperatura de 100 a 200 °C abaixo da temperatura em que a austenita começa a se formar, seguido de resfriamento ao ar, remove as tensões internas.