Tratamentos térmicos dos aços e ligas metálicas
Princípios e finalidades
Certos metais e ligas não podem ser
utilizados logo após a sua elaboração por não oferecerem todas as propriedades físicas
e mecânicas exigidas pelos construtores, quer para resistirem aos esforços a que
serão submetidos quer para permitirem a sucessão de fases que, muitas vezes, a fabricação
de uma peça exige. E, assim, podemos dizer que a utilização racional de uma
liga metálica impõem, necessariamente, a aplicação subsequente de um tratamento
térmico ou termoquímico apropriado.
Como exemplo, abrangendo uma grande
gama da indústria metalomecânica, poderemos citar alguns metais e ligas metálicas
atingidas por este tratamento:
- todos os aços para feramente;
- o aço especial cromo-níquel empregado na execução
de engrenagens;
- o cobre e o duralumínio, em folhas, o primeiro
empregado na manufatura de peças de forma (caldeiraria) e o segundo na indústria
aeronáutica.
Como já vimos, existe para cada liga
determinadas temperatura a que chamamos temperaturas
ou pontos de transformação para as quais, e especialmente para as ligas
ferro-carbono, elas trocam ou mudam de constituintes o que provoca modificações
das suas características mecânicas.
Portanto, os tratamentos térmicos não são mais do que operações de
aquecimentos seguidas dum oferecimentos, em condições de velocidades determinadas,
que tem por objetivo conferir a uma peça metálica as propriedades exigidas para
a sua utilização pratica.
Designam-se por tratamentos termoquímicos aqueles em que a variação da temperatura
está associada a ação dum produto ou agente químico.
Qualquer destes tratamentos ter por fim
modificar, melhorar ou regenerar s propriedades físicas ou mecânicas de certos
metais e ligas e, em particular, dos aços ao carbono, cujo o objetivo principal
e o aumento do seu limite elástico com a redução da sua fragilidade.
Duma maneira geral, um tratamento térmico
não produz modificações na composição química duma liga ferro-carbono. As modificações
que se produzem dizem respeito aos três casos seguintes:
- constituição- sobre o estado do carbono
e forma alotrópica do ferro;
- textura- sobre a grossura do grau e distribuição
dos constituintes;
- estado mecânico- as diferenças de temperatura
em diversos pontos da peça provocam dilatações diferentes as quais podem dar
origem ao aparecimento de tenções de internas e causar deformações na peça.
Por isso tanto os tratamentos térmicos
como os tratamentos termoquímicos, propõem-se melhorar um metal ou uma liga metálica
atuando sobre a sua constituição e sobre a sua textura evitando, tanto quando possível,
destruir o seu estado de equilíbrio mecânico.
Vejamos, a seguir os principais tratamentos
térmicos e termoquímicos aplicados as ligas mecânicas:
Têmpera
A têmpera
é um tratamento térmico cujo objetivo principal tem por fim provocar a
modificação das caraterísticas mecânicas seguintes:
- aumentar a tensão de ruptura
e a dureza;
- diminuir a extensão após a ruptura e a resiliência
Dum modo
geral a têmpera aplica-se aos aços contendo pelo menos 0,3% de carbono e a certas
gusa ou a ferros fundidos, além do duralumínio.
A têmpera
consiste em aquecer primeiro toda a massa metálica da peça a tratar a uma
temperatura um pouco superior ao ponto de transformação, chamada temperatura da têmpera e, depois, em
arrefece-lo rapidamente, por imersão, num fluido devidamente escolhido, como o
ar, um liquido ou um gás.
A
temperatura de aquecimento, como é logico, varia conforme a composição química
das ligas metálicas que constituem esta peça. Em qualquer caso, convêm aquecer
a peça, primeiro lentamente até uma temperatura próxima ao ponto de
transformação e, depois, rapidamente até uma temperatura superior a temperatura
do ponto de transformação. Este método tem por fim não só evitar a rotura das peças
nas vizinhanças da linha de transformação como, também, evitar a oxidação ou
alteração das ligas a uma alta temperatura.
Recomenda-se, por exemplo, as seguintes temperaturas de aquecimento:
- Para os aços ordinários e aços especiais; um aquecimento lento até
450°C e, depois, um aquecimento rápido até 770°C, para os aços com maior
percentagem de carbono, e 900°C para os aços com menor teor de carbono.
- Para os aços rápidos; um aquecimento lento até 800°C seguido dum
aquecimento rápido até 1200°C.
- Para o duralumínio; um aquecimento até
500°C realizado em 20 minutos.
Para
este aquecimento utilizam-se geralmente, fornos e aparelhos especiais como
veremos adiante, no capítulo dedicado a esse assunto. Também se pode aquecer a peça
na forja ou por meio dum maçarico de gás, ou oxiacétilenico, mas estes
processos de aquecimento são utilizados para trabalhos de pouca precisão e
responsabilidade nula, uma vez que a temperatura é avaliada empiricamente. No trabalho assim realizado corre-se o risco
de alterar a composição da liga.
A segunda
fase da operação da têmpera, ou seja, obtenção duma temperatura uniforme em toda
a massa metálica dura, apenas alguns minutos.
Finalmente, a terceira fase, ou seja, o arrefecimento, consiste no
abaixamento muito rápido da temperatura da peça até a temperatura ambiente,
geralmente, cerca de 20°C.
Ora, é
nesta velocidade de arrefecimento e na temperatura do fluido refrigerante que
esta, muitas vezes o segredo de uma boa têmpera, pois são essas causas a que
influem, sensivelmente, sobre as características mecânicas obtidas após a têmpera.
Assim, um arrefecimento muito rápido, origina uma liga muito dura, ao passo que
um arrefecimento menos rápido dá, por sua vez, uma liga menos dura. Ensaios
sucessivos levaram, assim, a metalurgista a determinar as chamadas velocidades críticas da têmpera.
Quanto
aos principais fluidos para o arrefecimento das peças temperadas, os mais
utilizados são:
- Agua vulgar ou agua salgada.
- Óleos de origem animal, vegetal e mineral, e o petróleo.
- Gorduras fundidas, de origem animal e vegetal.
- Metais em fusão.
- Sais metálicos em fusão.
- Ar comprimido.
Todos
estes fluidos permitem obter uma variada escala de temperaturas de têmpera
começando em 20°C para o ar ou agua, até 230°C para os óleos especiais de têmpera
e mesmo até 600°C, aproximadamente, para os sais metálicos em fusão e,
consequentemente, realizar diversas qualidades de têmpera.
Damos
a seguir, algumas temperatura de arrefecimento mais utilizadas na prática:
- Para os aços ao carbono – agua a 15°C.
- Para os aços rápidos – óleo a 60°C.
- Para os aços especiais –
sais metálicos em fusão a 550°C seguido dum arrefecimento ao ar a 20°C.
- Para o duralumínio – agua
a 20°C.
Pelos estudos podemos verificar que
os efeitos produzidos pela têmpera, nos aços com pequena percentagem de
carbono, são muito menos pronunciadas daqueles produzidos nos aços com maior
teor de carbono e que, por seu lado a resiliência aumenta ligeiramente. É por
esta razão que se diz, embora impropriamente, que os aços macios não recebem a
têmpera.
No entanto, em certos casos, os
efeitos da têmpera são contrários aos verificados corretamente, como no caso
dos aços autotemperantes (aços cromo-níquel),
os quais adquirem, pelo arrefecimento ao ar, uma textura martensítica. Esta é
corrigida por têmpera em agua, em virtude da austenite se conservar a frio.
Igualmente, certos latões e bronzes, tornam-se menos duros e mais maleáveis
após a têmpera, mas estes casos são exceções.
Dum modo geral, o exame de fratura
das provetas revela que o metal corretamente temperado apresenta um grão muito
mais fino e mais regularmente distribuído do que no estado inicial.
Têmpera superficial
É também uma operação térmica que está
sendo, atualmente muito utilizado em substituição do tratamento termoquímico
designado por cementação, que veremos
adiante. Tem o inconveniente de exigir o emprego duma máquina de elevado custo.
Como o nome indica, a têmpera faz-se só,
superficialmente. É que, certas pecas, tais como engrenagens e veios de máquinas,
devem ter uma dureza superficial importante e apresentar, simultaneamente, uma
grande resiliência no interior, ou alma, afim de resistirem melhor aos choques
e vibrações.
Essas peças são executadas em aço
especial, com grande percentagem de carbono (ou aço semiduro ao carbono, ou aço
semiduro cromo-níquel autotemperante), submetido previamente a têmpera seguido
dum revenido a alta temperatura. Antes de serem retificadas e depois de serem
trabalhadas na máquina-ferramenta, essas peças são aquecidas superficialmente
e, novamente, temperadas.
Ora, é esta última operação que pode
ser realizada facilmente com o calor da chama dum maçarico oxiacetileno seguido
dum jato de agua fria (têmpera ao
maçarico), ou então, nessa máquina especial na qual as peças são colocadas
no interior de uma bobina percorrida por uma corrente alternada de alta
frequência (50 000 ciclos por segundo) produzida num gerador próprio.
O conjunto bobina-peça funciona como
se fosse um transformados. As correntes induzidas de alta frequência geradas na
peça e que, devido ao efeito pelicular,
se localiza na periferia, provocam o aquecimento do metal a uma profundidade
de, somente, 1 a 2mm. A peça está suspensa por uma pinça que é comandada por um
termostato e que, atingida a temperatura requerida, liberta automaticamente a peça
que cai no banho da têmpera (têmpera por
indução).
Revenido
O revenido é um tratamento térmico
que é aplicado, exclusivamente, as peças temperadas, já que o aço temperado
fica, muitas vezes, mais duro do que aquilo que é necessário e, geralmente,
mais frágil. Por esta razão, a têmpera é habitualmente seguida dum revenido que consiste num aquecimento a
uma temperatura variável, mas sempre inferior a correspondente ao ponto de
transformação seguido dum arrefecimento relativamente lento.
Assim, o revenido tem por objetivo
essencial modificar os efeitos da têmpera, isto é, provocar:
- uma diminuição da tensão
de rotura e a dureza, exceto para os aços rápidos;
- um aumento da resiliência
e da extensão após a rotura.
A importância das modificações destas
características mecânicas é função da temperatura pois, quanto mais elevada
esta for, mais atenuadas serão os efeitos da tempera.
Recozimento
O recozimento é um tratamento térmico
que consiste em aquecer um aço a uma temperatura geralmente superior ao ponto
de transformação e deixa-lo, depois, arrefecer lentamente, tendo por objetivo
anular os efeitos da tempera, isto é, fazer desaparecer os estados fora do
equilíbrio resultantes de tratamentos anteriores, quer térmicos quer mecânicos.
O arrefecimento é realizado a uma
velocidade inferior à da têmpera, geralmente no ar, se isto não provocar
novamente a têmpera porque, senão, deixa-se arrefecer o material no próprio
forno, depois de apagado, envolvido ou mergulhado em cal, cinza ou areia
previamente aquecida.
O estado de recozimento corresponde
aos valores máximos da ductibilidade e aos valores mínimos da resistência, isto
é, variam no mesmo sentido do tratamento térmico de revenido.
O metal torna-se, assim, mais
maleável e resiste melhor aos esforços bruscos ou alternados e aos choques.
Os ensaios a que foi submetido um aço
semiduro com 0,4% de carbono dão-nos uma ideia da influência deste tratamento
térmico sobre os produtos laminados (pouco trabalhados a frio), estirados
(muito trabalhados a frio) e temperados. Nota-se que o trabalho a frio dos metais
pode ser comparado com uma têmpera mecânica em que os cristais ou grãos do
metal foram deformados por um trabalho mecânico executado a frio ou a muito
baixa temperatura.
De resto, todos os aços, a maior
parte dos metais e ligas não ferrosas podem sofrer os efeitos do recozimento.
Deste modo, conforme os efeitos que se pretendem podemos distinguir os
seguintes tipos:
a) Recozimento de homogeneidade – com o fim de
desfazer a heterogeneidade química.
b) Recozimento de regeneração – que torna o
grão mais fino.
c) Recozimento de têmpera –
que torna mais fácil o trabalho dos produtos temperados.
d) Recozimento de
estabilização – que faz desaparecer as tensões internas.
e) Recozimento de
recristalização – que se pratica sobre os produtos trabalhados a frio.