Tratamento térmico em fundições ferrosas

Revenimento, revenimento, normalização e recozimento de aço

O tratamento térmico é um passo importante para garantir as propriedades mecânicas dos fundidos de aço. Através da moldagem, vazamento, sacudimento e limpeza, as peças fundidas adquirem sua forma final, mas podem não ser suficientemente fortes ou elásticas para seu uso final. Ao aquecer e resfriar o metal em taxas diferentes, uma fundição pode alterar suas propriedades mecânicas.

Mas como a aplicação de calor altera a resistência ou flexibilidade de um metal?

Cristalização e propriedades do metal

Quando o metal fundido esfria, ele congela em estruturas cristalinas. Sob um microscópio, essas estruturas se parecem com os cristais de gelo que se formam no vidro no inverno. Cada estrutura cresce a partir de um ponto central até encontrar outra estrutura cristalina. Essas estruturas compõem os “grãos” de um metal.

Assim como as condições de inverno variáveis ​​criam muitos tipos de padrões de geada, as temperaturas variáveis ​​alteram os cristais que formam o metal. O grão que eles criam geralmente é invisível, mas são revelados quando o metal é gravado com ácido.

A forma e a relação dos grãos em uma liga determinam suas propriedades mecânicas. Grãos redondos podem deslizar uns pelos outros quando o metal é atingido, amassando em vez de permanecer forte ou quebrar. Grãos planos podem se empilhar e apoiar uns aos outros como tijolos em uma parede; mais forte do que os grãos redondos, mas ainda um pouco móvel. Grãos irregulares e entrelaçados podem não ter nenhuma elasticidade. O tratamento térmico de um metal pode remodelar sua cristalização, o que altera seu grão e, portanto, as propriedades do metal.

Metal endurecedor

A imagem de um ferreiro em sua forja, martelando uma placa de metal brilhante, é imediatamente reconhecível, embora não seja mais uma visão comum. No entanto, durante grande parte da história humana, os ferreiros trabalharam o metal mecanicamente para torná-lo mais forte. Hoje, em vez de ser trabalhado à mão por um ferreiro, o  aço é frequentemente enrolado para endurecê-lo mecanicamente.

A imagem da estrutura do grão explica como funciona o endurecimento do trabalho. Grãos redondos dentro do metal são deformados e sua nova forma dá força ao metal. Na laminação a frio, por exemplo, os grãos redondos são esmagados e esticados para se tornarem mais parecidos com varetas. Essas hastes se apoiam, como varetas em um pacote. Um ferreiro ou metalúrgico pode martelar, torcer, aquecer, esfriar e esticar um objeto para mudar a forma do grão. Se os grãos não tiverem para onde ir quando atingidos, eles formam uma matriz imóvel e inelástica que aumenta a dureza do metal.

No entanto, essa dureza pode ter um custo:a resistência pode tornar o material quebradiço. Grãos de formato irregular não deslizam facilmente uns sobre os outros:eles estão presos juntos. Qualquer impacto suficientemente grande - algo maior do que a força das ligações entre os grãos - irá separá-los.

Metal de tratamento térmico

A fundição começa a criar as propriedades mecânicas desejadas do aço escolhendo uma liga que é conhecida por produzir essas características. No entanto, há muito pouco controle sobre a cristalização desse metal à medida que a fundição esfria. Como a cristalização cria as propriedades mecânicas do metal, a liga pode não se comportar de maneira ideal, a menos que seja tratada posteriormente. A fundição pode fazer isso aquecendo e resfriando o metal de maneira controlada e regular.

O tratamento térmico é uma maneira não destrutiva de alterar as propriedades do material. Às vezes é um processo secundário com metal endurecido por trabalho, mas é a primeira escolha da fundição, pois a fundição já tem a forma certa e não pode ser trabalhada.

A cristalização quase sempre começa a partir das superfícies externas e se move para dentro, e – especialmente em grandes fundidos – há um grande diferencial de temperatura entre a casca do fundido e o centro. Os cristais crescem irregularmente, geralmente mais nítidos e menos maleáveis ​​perto da superfície. Eles são geralmente mais arredondados e, portanto, mais macios quanto mais profundos. A forma da fundição e os defeitos ou inclusões dentro do metal afetarão as taxas de resfriamento, levando a zonas no metal que têm propriedades mecânicas diferentes. Essas diferenças podem causar tensão interna do metal, o que pode causar fadiga ou falha do metal. O tratamento térmico permite que a fundição volte para dentro de um metal e reorganize os cristais que o compõem.

Imersão

A imersão é o processo que forma a base para todos os métodos de tratamento térmico. O tratamento térmico depende da temperatura de “recristalização” de um metal, que fica abaixo de seu ponto de fusão. Durante a recristalização, o carbono é desbloqueado para se difundir através do metal, movendo-se de uma forma molecular para outra, dependendo do calor, porcentagem de carbono e tempo. Esse movimento do carbono altera os padrões de cristalização do metal e, portanto, carrega diferentes propriedades do material. O diagrama de fases ferro-carbono mostra a formação de grãos de austenita, ferrita, perlita e cementita em diferentes tempos e temperaturas no calor. A martensita, outra estrutura de grãos encontrada em aços endurecidos, é formada por austenita de choque a frio.

A imersão é, portanto, o processo de trazer uma peça fundida acima do ponto de recristalização. O “tempo à temperatura” de imersão especificado para um tratamento térmico permite que os cristais no metal derretam e se reformem. Observar o ciclo de fase ferro-carbono pode ajudar uma fundição a saber por quanto tempo manter uma peça fundida em temperatura para permitir a difusão específica do carbono.

Na maioria (mas não em todas) partes do ciclo de fase ferro-carbono, a imersão de um metal fundido ou trabalhado o tornará menos duro e quebradiço. À medida que os grãos do metal crescem com mais regularidade, eles são mais arredondados e podem se reorganizar no impacto deslizando um pelo outro. Além disso, como o item atinge a mesma temperatura por toda parte, os cristais geralmente são mais uniformes do que os de uma fundição recém-derramada.

Recozimento

O recozimento começa com a imersão e, em seguida, continua deixando o aço esfriar muito lentamente no forno. O trabalhador da fundição desliga o forno e permite uma queda suave e controlada da temperatura. Há consistência térmica em todo o objeto tanto no aquecimento quanto no resfriamento, o que significa que há poucas tensões internas:não ocorrem “zonas” de metal com diferentes propriedades de cristalização. O metal que foi recozido é geralmente muito maleável, com maior ductilidade, resistência à tração e alongamento. Os tamanhos de grão com metais recozidos são frequentemente muito grandes devido à curva de resfriamento muito lenta.

Normalizando

Normalizar um metal significa levá-lo às temperaturas de recristalização por imersão e, em seguida, retirá-lo do forno e permitir que ele esfrie na atmosfera. Muitas das propriedades dos metais recozidos são evidentes em metais normalizados, mas como não há exatamente a mesma uniformidade de resfriamento, os grãos tendem a ser um pouco menos regulares. Ainda assim, um diferencial de temperatura muito menor do que o encontrado no congelamento de metal significa que um produto normalizado é menos quebradiço.

A taxa de resfriamento encontrada na normalização cria grãos menores no metal do que o recozimento, o que significa que, em geral, será mais forte ou mais duro que o metal recozido.

Extinção

E se for desejado um grau de dureza muito alto? Ao fazer ferramentas e peças de máquinas, amaciar o metal pode anular o propósito.

O tratamento térmico pode permitir que a dureza seja especificada e consistente. Para criar dureza no aço, a fundição embebe o aço até que a austenita seja a molécula principal e então a resfria em óleo mais frio ou ar forçado. Quando a austenita sofre choque a frio, cria uma estrutura cristalina ligeiramente irregular chamada martensita. Este material é mais duro devido a uma distorção de carbono em cada molécula de martensita.

Como a têmpera acontece de fora para dentro, objetos grandes podem experimentar as pressões de cristalização rápida, levando à pressão interna no metal. Essas forças às vezes podem causar rachaduras se a têmpera for muito extrema. Por esta razão, a têmpera com água não é muito comum para grandes objetos de aço, pois causa uma queda muito rápida de temperatura que pode causar a formação de rachaduras. O óleo e o ar esfriam um pouco menos vigorosamente.

No entanto, não são apenas os aços que são temperados para endurecimento. A têmpera com água é usada em uma fundição. Metais não-aço podem não sofrer as mesmas pressões internas porque suas fases e estruturas moleculares serão diferentes. O manganês é temperado com água a temperaturas muito mais altas que o aço, sem rachar. No entanto, a diferença de temperatura é tão grande que qualquer extinção lida com muita energia que pode dar errado! Abaixo está uma explosão causada por um núcleo de areia retido durante a têmpera de uma fundição de aço manganês. Len Cranmore, da Reliance Foundry, agora nosso gerente de vendas, saiu ileso dessa explosão, mas teve que apagar pequenos incêndios iniciados pelos estilhaços de areia superaquecidos.

Temperamento

Encontrar a mistura certa de dureza e ductilidade também pode ser alcançado por meio de um processo chamado revenimento. A têmpera geralmente é feita com aço temperado para torná-lo menos quebradiço, preservando parte da dureza. Na têmpera, um metal é reaquecido novamente, mas agora a uma temperatura mais baixa do que no recozimento, normalização ou têmpera.

A martensita não é uma molécula estável no calor – ela é alcançada sob choque – então temperar o aço significa desestabilizar a martensita para deixá-la começar a se converter em cementita e ferrita. Uma faixa de temperaturas e tempo no forno de têmpera influenciarão a quantidade de martensita convertida e, portanto, quão macio o metal se torna. Por exemplo, molas de metal podem ser temperadas em temperaturas mais altas para aumentar a elasticidade em comparação com ferramentas temperadas em temperaturas mais baixas para manter a dureza.

A têmpera é frequentemente usada para aliviar as tensões internas em um material temperado. Um metal que passou por outro estresse térmico, como soldagem ou ferraria, pode ser temperado para permitir que as moléculas internas relaxem um pouco umas nas outras.

Variações no tratamento térmico

Em uma fundição, as peças fundidas geralmente são tratadas termicamente de maneira uniforme. No entanto, às vezes um item pode ser tratado termicamente de forma irregular. As espadas de aço temperado geralmente eram temperadas de forma variável, de modo que as lâminas tinham bordas duras enquanto os núcleos permaneciam elásticos. As molas às vezes passam por tratamento térmico diferencial, para corresponder à sua função.

Tal como acontece com grande parte da fundição, uma compreensão da química de uma liga significa que tempos, temperaturas e tolerâncias podem ser cientificamente especificados. No entanto, com o tempo, um operário de fundição conhece o metal com o qual está trabalhando. Assim como um chef experiente conhece seus ingredientes bem o suficiente para não precisar de uma receita, um trabalhador de fundição experiente saberá quando algo está errado. Um metal que demora muito para brilhar ou esfria muito rápido conta uma história molecular para um olho experiente, sem a ajuda de equipamentos de laboratório.

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