Ciclos de tratamento térmico complexos, ou “ciclos”, são frequentemente concebidos por metalúrgicos para optimizar as propriedades mecânicas de uma liga. Na indústria aeroespacial, uma superliga pode passar por cinco ou mais operações diferentes de tratamento térmico para desenvolver as propriedades desejadas. Isto pode levar a problemas de qualidade, dependendo da precisão dos controles de temperatura e do temporizador do forno. Estas operações podem normalmente ser divididas em várias técnicas básicas.
Edita de recozimento
O recozimento consiste em aquecer um metal a uma temperatura específica e depois resfriar a uma taxa que produzirá uma microestrutura refinada, separando total ou parcialmente os constituintes. A taxa de resfriamento é geralmente lenta. O recozimento é mais frequentemente usado para amolecer um metal para trabalho a frio, para melhorar a maquinabilidade, ou para melhorar propriedades como a condutividade eléctrica.
Em ligas ferrosas, o recozimento é normalmente realizado aquecendo o metal para além da temperatura crítica superior e depois arrefecendo muito lentamente, resultando na formação de perolita. Tanto em metais puros como em muitas ligas que não podem ser tratadas com calor, o recozimento é usado para remover a dureza causada pelo trabalho a frio. O metal é aquecido a uma temperatura onde pode ocorrer a recristalização, reparando assim os defeitos causados pela deformação plástica. Nesses metais, a taxa de resfriamento geralmente terá pouco efeito. A maioria das ligas não ferrosas que podem ser tratadas com calor também são recozidas para aliviar a dureza do trabalho a frio. Elas podem ser lentamente resfriadas para permitir a precipitação total dos constituintes e produzir uma microestrutura refinada.
As ligas ferrosas são normalmente ou “recozidas por completo” ou “recozidas por processo”. O recozimento total requer taxas de resfriamento muito lentas, a fim de formar perolita grosseira. No recozimento de processo, a taxa de resfriamento pode ser mais rápida; até, e inclusive normalizante. O objetivo principal do recozimento de processo é produzir uma microestrutura uniforme. As ligas não ferrosas são frequentemente sujeitas a uma variedade de técnicas de recozimento, incluindo “recozimento de recristalização”, “recozimento parcial”, “recozimento total” e “recozimento final”. Nem todas as técnicas de recozimento envolvem recristalização, como o alívio de tensão.
NormalizaçãoEditar
Normalização é uma técnica usada para fornecer uniformidade no tamanho e composição do grão (cristais equiaxados) através de uma liga. O termo é frequentemente usado para ligas ferrosas que foram austenitizadas e depois resfriadas ao ar livre. A normalização não só produz perolita mas também martensite e às vezes bainite, o que dá um aço mais duro e forte, mas com menos ductilidade para a mesma composição do que o recozimento total.
No processo de normalização o processo de aquecimento do aço a cerca de 40 graus Celsius acima do seu limite superior de temperatura crítica mantido a esta temperatura por algum tempo e depois resfriado no ar.
Alívio de tensõesEditar
Alívio de tensões é uma técnica para remover ou reduzir as tensões internas criadas no metal. Essas tensões podem ser causadas de várias maneiras, desde o trabalho a frio até o resfriamento não-uniforme. O alívio de tensões é geralmente realizado aquecendo um metal abaixo da temperatura crítica mais baixa e depois resfriando uniformemente. O alívio de tensões é normalmente usado em itens como tanques de ar, caldeiras e outros vasos de pressão, para remover todas as tensões criadas durante o processo de soldagem.
EnvelhecimentoEditar
Alguns metais são classificados como metais endurecedores por precipitação. Quando uma liga de têmpera por precipitação é extinguida, seus elementos de liga ficam presos em solução, resultando em um metal macio. O envelhecimento de um metal “solucionado” permitirá que os elementos de liga se difundam através da microestrutura e formem partículas intermetálicas. Essas partículas intermetálicas se nuclearão e cairão da solução e atuarão como uma fase de reforço, aumentando assim a resistência da liga. As ligas podem envelhecer “naturalmente”, o que significa que os precipitados se formam à temperatura ambiente, ou podem envelhecer “artificialmente” quando os precipitados só se formam a temperaturas elevadas. Em algumas aplicações, as ligas naturalmente envelhecidas podem ser armazenadas em um freezer para evitar o endurecimento até após novas operações – montagem de rebites, por exemplo, talvez mais fácil com uma peça mais macia.
Exemplos de ligas de endurecimento por precipitação incluem as séries 2000, 6000 e 7000, bem como algumas superligas e alguns aços inoxidáveis. Os aços que endurecem por envelhecimento são normalmente referidos como aços maraging, a partir de uma combinação do termo “martensite aging”: Têmpera
Têmpera é um processo de resfriamento de um metal a uma velocidade rápida. Isto é mais frequentemente feito para produzir uma transformação de martensita. Em ligas ferrosas, isto frequentemente produzirá um metal mais duro, enquanto as ligas não ferrosas geralmente se tornarão mais macias que o normal.
Para endurecer por têmpera, um metal (geralmente aço ou ferro fundido) deve ser aquecido acima da temperatura crítica superior e depois resfriado rapidamente. Dependendo da liga e de outras considerações (como a preocupação com a dureza máxima vs. rachadura e distorção), o resfriamento pode ser feito com ar forçado ou outros gases, (como nitrogênio). Podem ser utilizados líquidos, devido à sua melhor condutividade térmica, tais como óleo, água, um polímero dissolvido em água ou uma salmoura. Ao ser rapidamente resfriado, uma porção de austenita (dependendo da composição da liga) se transformará em martensite, uma estrutura cristalina dura e quebradiça. A dureza atenuada de um metal depende da sua composição química e do método de têmpera. As velocidades de resfriamento, do mais rápido ao mais lento, vão da salmoura, polímero (isto é, misturas de água + polímeros de glicol), água doce, óleo, e ar forçado. No entanto, a têmpera demasiado rápida de certos aços pode resultar em fissuras, razão pela qual aços de alta resistência como o AISI 4140 devem ser têmpera em óleo, aços para ferramentas como o ISO 1.2767 ou H13 devem ser têmpera em ar forçado e aços de baixa liga ou de média resistência como o XK1320 ou AISI 1040 devem ser têmpera em salmoura.
algumas ligas à base de Beta titânio também mostraram tendências semelhantes de aumento de resistência através de arrefecimento rápido. No entanto, a maioria dos metais não ferrosos, como ligas de cobre, alumínio ou níquel, e alguns aços de alta liga como o aço inoxidável austenítico (304, 316), produzem um efeito oposto quando estes são revenidos: eles amolecem. Os aços inoxidáveis austeníticos devem ser revenidos para se tornarem totalmente resistentes à corrosão, uma vez que eles trabalham – endurecem significativamente.
TemperingEdit
Aço martensítico não temperado, embora muito duro, é demasiado frágil para ser útil para a maioria das aplicações. Um método para aliviar este problema é chamado de têmpera. A maioria das aplicações requer que as peças revenidas sejam temperadas. A têmpera consiste no aquecimento do aço abaixo da temperatura crítica mais baixa, (frequentemente de 400˚F a 1105˚F ou 205˚C a 595˚C, dependendo dos resultados desejados), para conferir alguma dureza. Temperaturas de têmpera mais elevadas (talvez até 1,300˚F ou 700˚C, dependendo da liga e da aplicação) são por vezes utilizadas para conferir maior ductilidade, embora se perca alguma tensão de ruptura.
Têmpera também pode ser realizada em aços normalizados. Outros métodos de têmpera consistem em têmpera a uma temperatura específica, que está acima da temperatura de início da martensita, e depois mantê-la lá até que a bananita pura possa se formar ou até que as tensões internas possam ser aliviadas. Estes incluem austemperatura e martemperatura.
Cores de têmperaEditar
Aço que tenha sido acabado de moer ou polido irá formar camadas de óxido quando aquecido. A uma temperatura muito específica, o óxido de ferro formará uma camada com uma espessura muito específica, causando interferência de película fina. Isto causa o aparecimento de cores na superfície do aço. À medida que a temperatura é aumentada, a camada de óxido de ferro cresce em espessura, mudando a cor. Estas cores, chamadas cores temperadas, são usadas há séculos para medir a temperatura do metal.
- 350˚F (176˚C), amarelo-claro
- 400˚F (204˚C), canudo-claro
- 440˚F (226˚C), canudo-preto
- 500˚F (260˚C), castanho
- 540˚F (282˚C), roxo
- 590˚F (310˚C), azul profundo
- 640˚F (337˚C), azul claro
As cores de têmpera podem ser usadas para julgar as propriedades finais do aço temperado. As ferramentas muito duras são frequentemente temperadas na gama da palha clara à escura, enquanto que as molas são frequentemente temperadas ao azul. No entanto, a dureza final do aço temperado irá variar, dependendo da composição do aço. O aço para ferramentas de carbono mais alto permanecerá muito mais duro após a têmpera do que o aço para molas (de um pouco menos de carbono) quando temperado à mesma temperatura. A película de óxido também irá aumentar de espessura com o tempo. Portanto, o aço que foi mantido em 400˚F durante muito tempo pode ficar castanho ou roxo, mesmo que a temperatura nunca exceda a necessária para produzir uma cor de palha clara. Outros fatores que afetam o resultado final são as películas de óleo na superfície e o tipo de fonte de calor utilizada.
Tratamento térmico seletivoEditar
Muitos métodos de tratamento térmico foram desenvolvidos para alterar as propriedades de apenas uma porção de um objeto. Estes tendem a consistir ou no resfriamento de diferentes áreas de uma liga a diferentes taxas, por aquecimento rápido em uma área localizada e depois têmpera, por difusão termoquímica, ou por têmpera de diferentes áreas de um objeto a diferentes temperaturas, como na têmpera diferencial.
Têmpera diferencialEditar
Algumas técnicas permitem que diferentes áreas de um único objecto recebam diferentes tratamentos térmicos. Isto é chamado endurecimento diferencial. É comum em facas e espadas de alta qualidade. O jian chinês é um dos primeiros exemplos conhecidos, e o katana japonês pode ser o mais conhecido. O Khukuri nepalês é outro exemplo. Esta técnica usa uma camada isolante, como camadas de argila, para cobrir as áreas que devem permanecer macias. As áreas a serem endurecidas são deixadas expostas, permitindo que apenas certas partes do aço endureçam completamente quando extinguidas.
Têmpera por chamaEditar
Têmpera por chama é usada para endurecer apenas uma parte do metal. Ao contrário da têmpera diferencial, onde a peça inteira é aquecida e depois resfriada em diferentes taxas, a têmpera por chama, apenas uma porção do metal é aquecida antes da têmpera. Isto é geralmente mais fácil que o têmpera diferencial, mas muitas vezes produz uma zona extremamente frágil entre o metal aquecido e o metal não aquecido, pois o resfriamento na borda desta zona afetada pelo calor é extremamente rápido.
Têmpera indutivaEditar
Têmpera por indução é uma técnica de endurecimento superficial na qual a superfície do metal é aquecida muito rapidamente, utilizando um método de aquecimento por indução sem contacto. A liga é então revenida, produzindo uma transformação de martensita na superfície, deixando o metal subjacente inalterado. Isto cria uma superfície muito dura e resistente ao desgaste, mantendo a dureza adequada na maioria do objecto. Revestimentos de virabrequim são um bom exemplo de superfície endurecida por indução.
Têmpera da caixaEditar
Têmpera da caixa é um processo de difusão termoquímica no qual um elemento de liga, mais comumente carbono ou nitrogênio, se difunde para a superfície de um metal monolítico. A solução sólida intersticial resultante é mais dura do que o material base, o que melhora a resistência ao desgaste sem sacrificar a tenacidade.
A engenharia de superfície é um tratamento de superfície com alta versatilidade, seletividade e propriedades inovadoras. Como a taxa de resfriamento é muito alta no tratamento a laser, mesmo o vidro metálico metastable pode ser obtido por este método.
Tratamento a frio e criogênicoEdit
Embora o têmpera do aço faça com que a a austenita se transforme em martensite, toda a austenita geralmente não se transforma. Alguns cristais de austenita permanecerão inalterados, mesmo após o têmpera abaixo da temperatura de acabamento da martensita (Mf). A transformação adicional da austenita em martensite pode ser induzida pelo resfriamento lento do metal a temperaturas extremamente baixas. O tratamento a frio consiste geralmente no arrefecimento do aço até cerca de -115˚F (-81˚C), mas não elimina toda a austenite. O tratamento criogênico geralmente consiste no resfriamento a temperaturas muito mais baixas, frequentemente na faixa de -315˚F (-192˚C), para transformar a maior parte da austenita em martensite.
Tratamentos criogênicos e frios são normalmente feitos imediatamente após o resfriamento, antes de qualquer têmpera, e irão aumentar a dureza, resistência ao desgaste e reduzir as tensões internas no metal, mas, como é realmente uma extensão do processo de têmpera, pode aumentar as chances de rachaduras durante o procedimento. O processo é frequentemente usado para ferramentas, rolamentos ou outros itens que requerem boa resistência ao desgaste. No entanto, geralmente só é eficaz em aços com alto teor de carbono ou de alta liga, nos quais mais de 10% de austenita é retida após a têmpera.
DecarburizationEdit
O aquecimento do aço é às vezes utilizado como um método para alterar o teor de carbono. Quando o aço é aquecido em um ambiente oxidante, o oxigênio combina com o ferro para formar uma camada de óxido de ferro, que protege o aço da descarbonetação. Quando o aço se transforma em austenita, porém, o oxigênio se combina com o ferro para formar uma escória, que não oferece proteção contra a descarbonetação. A formação de escória e escamas aumenta a descarbonização, porque o óxido de ferro mantém o oxigênio em contato com a zona de descarbonização mesmo depois que o aço é movido para um ambiente livre de oxigênio, como os carvões de uma forja. Assim, os átomos de carbono começam a combinar-se com a escala circundante e a escória para formar tanto monóxido de carbono como dióxido de carbono, que é libertado para o ar.
O aço contém uma percentagem relativamente pequena de carbono, que pode migrar livremente dentro do ferro gama. Quando o aço austenitizado é exposto ao ar por longos períodos de tempo, o conteúdo de carbono no aço pode ser reduzido. Isto é o oposto do que acontece quando o aço é aquecido num ambiente redutor, no qual o carbono se difunde lentamente mais para dentro do metal. Em um ambiente oxidante, o carbono pode facilmente se difundir para fora, portanto, o aço austenitizado é muito suscetível à descarbonização. Isso é freqüentemente usado para aço fundido, onde um alto teor de carbono é necessário para a fundição, mas um teor de carbono mais baixo é desejado no produto final. É frequentemente utilizado em aços fundidos para produzir ferro fundido maleável, em um processo chamado “têmpera branca”. Essa tendência à descarbonização é muitas vezes um problema em outras operações, como a ferraria, onde se torna mais desejável a austenização do aço pelo menor tempo possível para evitar uma descarbonização excessiva.