Técnicas de Tratamento Térmico para Fundições Ferrosas: Aumentando Resistência e Durabilidade

Têmpera, revenimento, normalização e recozimento de aço

O tratamento térmico é um passo importante para garantir as propriedades mecânicas de fundições de aço. Através de moldagem, vazamento, desmoldagem e limpeza, as fundições tomam sua forma final – mas podem não ser suficientemente fortes ou elásticas para seu uso final. Aquecendo e resfriando o metal em diferentes taxas, uma fundição pode alterar suas propriedades mecânicas.

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

Cristalização e propriedades do metal

Quando o metal fundido arrefece, congela em estruturas cristalinas. Sob microscópio, estas estruturas parecem os cristais de geada que se formam no vidro no inverno. Cada estrutura cresce a partir de um ponto central até encontrar outra estrutura cristalina. Estas estruturas compõem os "grãos" de um metal.

Assim como condições variadas de inverno criam muitos tipos de padrões de geada, temperaturas variáveis mudam os cristais que compõem o metal. O grão que criam é geralmente invisível mas é revelado quando o metal é atacado com ácido.

A forma e relação dos grãos numa liga determinam suas propriedades mecânicas. Grãos redondos podem deslizar uns sobre os outros quando o metal é golpeado, amassando em vez de permanecer forte ou quebrar. Grãos achatados podem empilhar-se e apoiar-se como tijolos numa parede; mais fortes que grãos redondos, mas ainda algo móveis. Grãos irregulares e interligados podem não ter nenhuma cedência. O tratamento térmico de um metal pode remodelar sua cristalização, o que muda seu grão, e portanto as propriedades do metal.

Endurecimento por trabalho

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

Visualizar a estrutura de grãos explica como o endurecimento por trabalho funciona. Grãos redondos dentro do metal são deformados, e sua nova forma dá resistência ao metal. Na laminação a frio, por exemplo, grãos redondos são comprimidos e esticados para tornarem-se mais semelhantes a hastes. Estas hastes apoiam-se umas às outras, como paus num feixe. Um ferreiro ou metalúrgico pode martelar, torcer, aquecer, resfriar e esticar um objeto para mudar a forma do grão. Se os grãos não têm para onde ir quando golpeados, formam uma matriz imóvel e inelástica que aumenta a dureza do metal.

No entanto, esta dureza pode vir com um custo: a resistência pode tornar o material frágil. Grãos de forma irregular não deslizam facilmente uns sobre os outros: estão encravados. Qualquer impacto suficientemente grande – algo maior que a resistência das ligações entre grãos – irá quebrá-los.

Tratamento térmico do metal

A fundição começa a criar propriedades mecânicas desejadas do aço escolhendo uma liga conhecida por produzir aquelas características. No entanto, há muito pouco controle sobre a cristalização deste metal à medida que a fundição arrefece. Como a cristalização cria as propriedades mecânicas do metal, a liga pode não se comportar otimamente a menos que seja tratada adicionalmente. A fundição pode fazer isso aquecendo e resfriando o metal de forma controlada e regular.

O tratamento térmico é uma forma não destrutiva de mudar propriedades do material. É às vezes um processo secundário com metal endurecido por trabalho – mas é a primeira escolha da fundição, já que a fundição já tem a forma correta e não pode ser trabalhada.

A cristalização quase sempre começa das superfícies externas e move-se para dentro, e – especialmente em fundições grandes – há um grande diferencial de temperatura entre a casca da fundição e o centro. Os cristais crescem irregularmente, geralmente mais agudos e menos maleáveis perto da superfície. São frequentemente mais arredondados e portanto mais macios quanto mais para dentro. A forma da fundição e defeitos ou inclusões dentro do metal afetarão as taxas de arrefecimento, levando a zonas no metal que têm propriedades mecânicas dissimilares. Estas diferenças podem causar tensão interna no metal, que pode causar fadiga ou falha do metal. O tratamento térmico permite à fundição voltar para dentro do metal e reorganizar os cristais que o compõem.

Imersão (Soaking)

A imersão é o processo que forma a base para todos os métodos de tratamento térmico. O tratamento térmico baseia-se na temperatura de "recristalização" de um metal que fica abaixo do seu ponto de fusão. Durante a recristalização, o carbono é liberado para difundir através do metal, movendo-se de uma forma molecular para outra dependendo do calor, porcentagem de carbono e tempo. Este movimento de carbono muda 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. Martensita, outra estrutura de grão encontrada em aços endurecidos, é formada por choque a frio da austenita.

A imersão é portanto o processo de trazer uma fundição acima do ponto de recristalização. O "tempo na temperatura" de imersão especificado para um tratamento térmico permite que os cristais no metal derretam e se reformem. Olhar o ciclo de fases ferro-carbono pode ajudar uma fundição a saber quanto tempo manter uma fundição à temperatura para permitir difusão específica de carbono.

Na maioria (mas não todas) das partes do ciclo de fases ferro-carbono, imergir um metal fundido ou trabalhado torná-lo-á menos duro e frágil. À medida que os grãos no metal crescem mais regularmente, são mais arredondados e podem reorganizar-se no impacto deslizando uns sobre os outros. Além disso, como o item atinge a mesma temperatura por todo o lado, os cristais são geralmente mais uniformes que os numa fundição recém-vazada.

Recozimento

O recozimento começa com imersão, e continua deixando o aço arrefecer muito lentamente no forno. O operador da fundição desliga o forno e permite uma queda de temperatura suave e controlada. Há consistência térmica por 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. 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.

Normalização

Normalizar um metal significa levá-lo a temperaturas de recristalização por imersão, e depois retirá-lo do forno e deixá-lo arrefecer na atmosfera. Muitas das propriedades de 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, um diferencial de temperatura muito menor que o encontrado no metal congelado significa que um produto normalizado é menos frágil.

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

Têmpera

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

O tratamento térmico pode permitir que a dureza seja especificada e consistente. Para criar dureza no aço, a fundição imerge o aço até que a austenita seja a molécula principal e depois tempera-o 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 a pressão interna no metal. Estas forças podem às vezes causar trincas se a têmpera for demasiado extrema. Por esta razão, têmpera em água não é muito comum para objetos grandes de aço, pois causa uma queda muito rápida de temperatura que pode causar trincas. Óleo e ar resfriam ligeiramente menos vigorosamente.

No entanto, não são apenas aços que são temperados para endurecimento. Têmpera em água é usada numa fundição. Metais não-aço podem não sofrer as mesmas pressões internas porque suas fases e estruturas moleculares serão diferentes. Manganês é temperado em água a temperaturas muito mais altas que o aço, sem trincar. No entanto, a diferença de temperatura é tão grande que qualquer têmpera 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 desta explosão, mas teve que apagar pequenos incêndios iniciados por estilhaços de areia superaquecidos.

Revenimento

Encontrar a mistura certa de dureza e ductilidade também pode ser alcançada através de um processo chamado revenimento. O revenimento é frequentemente feito com aço temperado para torná-lo menos frágil enquanto preserva alguma da dureza. No revenimento, um metal é reaquecido mais uma vez, mas agora a uma temperatura mais baixa que no recozimento, normalização ou têmpera.

Martensita não é uma molécula estável no calor – é alcançada sob choque – então revenimento de aço significa desestabilizar a martensita para deixá-la começar a converter-se em cementita e ferrita. Uma gama de temperaturas e durações no forno de revenimento influenciará quanto da martensita é convertida e portanto quão macio o metal se torna. Por exemplo, molas de metal podem ser revenidas a temperaturas mais altas para maior elasticidade comparado a ferramentas revenidas a temperaturas mais baixas para manter dureza.

O revenimento é frequentemente usado para aliviar tensões internas num material temperado. Um metal que sofreu outro estresse térmico como soldagem ou forja pode ser revenido para permitir que as moléculas dentro relaxem um pouco umas nas outras.

Variações no tratamento térmico

Numa fundição, as fundições são geralmente tratadas termicamente uniformemente. No entanto, às vezes um item pode ser tratado termicamente irregularmente. Espadas de aço revenido comumente eram revenidas variavelmente, de forma que as lâminas tinham bordas duras enquanto os núcleos permaneciam elásticos. Molas às vezes passam por tratamento térmico diferencial, para corresponder à sua função.

Como em grande parte da fundição, uma compreensão da química de uma liga significa que tempos, temperaturas e tolerâncias podem ser especificados cientificamente. No entanto, com o tempo, um trabalhador de fundição vem a conhecer o metal com que está trabalhando. Como um chef especialista conhece seus ingredientes bem o suficiente para não precisar de receita, um trabalhador especialista de fundição saberá quando algo está errado. Um metal que demora demasiado a ficar incandescente, ou arrefece demasiado rápido, conta uma história molecular a um olho experiente – sem a ajuda de equipamento de laboratório.