Uma visão geral dos processos de tratamento térmico: Dos metais aos moldes de plástico

Diferentes materiais têm diferentes papéis no sector da engenharia e, por isso, requerem processos de propriedade para satisfazer as necessidades necessárias. Os engenheiros aplicam diferentes técnicas para adquirir as propriedades necessárias durante o processo de fabrico. Um dos processos amplamente aplicáveis é o tratamento térmico.

O papel do tratamento térmico no fabrico de engenharia consiste em alterar as propriedades mecânicas e químicas da peça antes de a introduzir no processamento ou na montagem da peça. Através deste processo, o componente resultante torna-se mais útil e utilizável e é seguro para utilização na oficina.

O tratamento térmico na engenharia de fabrico e na ciência dos materiais consiste em aquecer um material a uma determinada temperatura, mantê-lo a essa temperatura durante algum tempo e, em seguida, arrefecer o material num determinado padrão. Altera a microestrutura dos materiais, obtendo propriedades mecânicas como a resistência ao desgaste, a tenacidade e a dureza.

O tratamento térmico não se aplica apenas aos metais, mas também é necessário para o fabrico de moldes de plástico ou de matrizes. Por exemplo, assegura que os moldes utilizados em fundição injectada são constantemente estáveis do ponto de vista dimensional, resistindo à deformação e à fissuração.

As indústrias transformadora, aeroespacial, da construção e automóvel são alguns dos sectores que utilizam constantemente o tratamento térmico para melhorar os seus produtos. Normalmente, os metais são tratados termicamente através de técnicas de recozimento, têmpera e revenido.

Processos de tratamento térmico de metais

Os três processos de tratamento térmico dos metais incluem o recozimento, a têmpera e o revenido.

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O recozimento é um processo de tratamento térmico aplicável que tem como objetivo restaurar um componente ao seu estado físico. A ductilidade é muito importante no fabrico de diferentes componentes de engenharia, como placas de metal, garantindo uma laminagem mais fácil em chapas mais finas. No entanto, por vezes, estes metais tornam-se duros. Em alguns casos, durante a maquinagem e o trabalho a frio dos veios metálicos ou durante a fundição, os materiais acumulam tensões internas, o que pode resultar na sua fragilidade. O papel do recozimento é baixar os níveis de dureza e aliviar possíveis tensões nesses materiais.

Durante o recozimento, os técnicos elevam a temperatura do metal um pouco acima da temperatura de recristalização. No entanto, a temperatura de recozimento deve ser inferior à temperatura de fusão dos materiais. As altas temperaturas fornecem energia suficiente para a migração dos átomos dentro da microestrutura do metal.

A alta energia também leva à formação de mais grãos. O processo resulta na retificação da deslocação. Além disso, os processos aliviam as tensões internas do metal. Após o arrefecimento, o metal restaura a sua ductilidade de forma eficaz para uma fácil maquinabilidade.

Etapas do processo de recozimento

1. Aquecimento: O aquecimento do metal ocorre a temperaturas de recristalização, que variam consoante o tipo de metal. Por exemplo, a temperatura de recristalização do aço é de 500-700⁰C. Este aquecimento conduz a uma temperatura uniforme nos materiais, levando a um rearranjo da microestrutura.

2. Tempo de imersão/manutenção: Quando o metal atinge a temperatura de recristalização, os técnicos mantêm-no a essa temperatura durante algum tempo, chamado tempo de imersão. Durante este tempo, ocorre a recristalização, dando origem a novos grãos na microestrutura do metal. Consequentemente, o processo leva ao amolecimento do metal. A composição e a espessura do material determinam o tempo de imersão. As durações podem ser tão curtas como alguns minutos ou várias horas.

3. Arrefecimento: O período de imersão no arrefecimento do metal. Os técnicos asseguram que o arrefecimento é lento no ambiente controlado, quer no ar quer no forno. Através do arrefecimento lento, os técnicos evitam a formação de tensões e de fases indesejáveis na microestrutura do metal. O arrefecimento rápido do material pode endurecer o metal.

Metais comuns

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Ao contrário do recozimento, que tem por objetivo eliminar a dureza do metal, a têmpera visa obter a dureza e a resistência do metal. Na têmpera, os técnicos aquecem o metal a uma determinada temperatura e arrefecem-no rapidamente até à temperatura ambiente ou inferior. O processo de arrefecimento rápido leva a um realinhamento estrutural e atómico na estrutura do metal. Esta transformação é a transformação martensítica, e o material resultante é duro.

Os engenheiros podem realizar a têmpera através de água, óleo, ar e fluidos especializados. O método a utilizar depende dos resultados do metal a arrefecer.

Etapas do processo de arrefecimento de metais

1. Preparação do metal: Com base nas propriedades do material, os técnicos selecionam o tipo de metal para a têmpera. O metal é então limpo para remover sujidade ou detritos, que podem interferir com o processo de têmpera.

2. Aquecimento de metais: O metal é aquecido a temperaturas críticas num forno de tratamento térmico. A temperaturas críticas, os metais tornam-se não magnéticos. O aquecimento é uniforme para garantir que a dureza resultante seja uniforme.

3. Seleção do meio de arrefecimento: Existe uma vasta gama de meios de têmpera. A seleção de certos meios depende dos materiais e da finalidade dos produtos resultantes. Por exemplo, os técnicos selecionam a água como meio de têmpera se o material for aço-carbono.

4. Têmpera de metais: Baixar cuidadosamente o metal quente para o meio de arrefecimento. Os técnicos utilizam tanques de têmpera para obter uniformidade, e a imersão total do metal leva a um arrefecimento uniforme. 

5. Controlo da taxa de arrefecimento: A taxa de arrefecimento afecta significativamente as propriedades do produto final. Utilize taxas de arrefecimento mais rápidas para obter uma maior dureza, enquanto que taxas de arrefecimento mais lentas conduzem a materiais mais macios.

Seleção de meios de arrefecimento

Diferentes meios de arrefecimento têm diferentes aplicações no processo de arrefecimento. Por exemplo, a utilização de água pode levar a uma taxa de arrefecimento muito rápida. Com a sua elevada capacidade de arrefecimento, a água atinge a dureza no mais curto espaço de tempo possível. Na maioria dos casos, os engenheiros utilizam a têmpera em água para formar aço martensítico. No entanto, as elevadas taxas de arrefecimento podem, por vezes, deformar e fissurar. As aplicações da têmpera em água incluem aços de carbono e ligas que requerem elevada dureza para ferramentas de corte.

A têmpera em óleo é aplicável a taxas de arrefecimento moderadas. Os metais arrefecem moderadamente devagar quando são submetidos a têmpera em óleo para evitar deformações e fissuras. Os engenheiros utilizam a têmpera em óleo para alcançar um equilíbrio entre a dureza e a tenacidade. No entanto, a têmpera em óleo é arriscada, uma vez que é inflamável. Além disso, os óleos são difíceis de manusear. O produto resultante pode não ter a dureza máxima.

A têmpera ao ar é essencial para uma taxa de arrefecimento lenta. A taxa de arrefecimento gradual é vital para as ligas que podem distorcer e fissurar com um arrefecimento mais rápido. No entanto, a têmpera ao ar pode não conduzir à dureza máxima.

TEMPERAMENTO

A têmpera segue-se normalmente ao revenido para reduzir a fragilidade do metal e restaurar a sua ductilidade. Durante a têmpera, os técnicos reaquecem o metal do processo de arrefecimento até determinados níveis e mantêm-no abaixo do ponto crítico (normalmente 150-700C) durante algum tempo. Segue-se o arrefecimento em ar parado até à temperatura ambiente.

Passos

1. Aquecimento: Aquecer o metal a uma temperatura de têmpera, que se situa entre a temperatura ambiente e as temperaturas críticas. Controlar a taxa de aquecimento. Um aquecimento demasiado rápido pode provocar fissuras. Metais diferentes têm temperaturas de têmpera diferentes. O aquecimento ajuda a libertar a tensão do processo de têmpera, mantendo a dureza.

2. Tempo de espera: Manter o metal à temperatura de têmpera. O tempo de permanência varia entre 30 minutos e horas, consoante a utilização do produto resultante e a espessura dos materiais. Este tempo de espera leva ao amolecimento, diminuindo os níveis de fragilidade e mantendo a dureza dos materiais.

3. Arrefecimento: Após o tempo de espera, arrefecer o metal com ar. O ar garante uma taxa de arrefecimento lenta, o que ajuda a evitar a formação de novas tensões.

Métodos de tratamento térmico para moldes de plástico e de fundição injectada

A durabilidade e o desempenho dos moldes de fundição dependem da seleção dos materiais. Os engenheiros de moldes são responsáveis pela seleção dos materiais tendo em conta as funções e a estrutura. Para cumprir as funções e a estrutura corretas, os materiais dos moldes de fundição são submetidos a tratamento térmico e reforço da superfície para garantir a durabilidade e a qualidade.

O tratamento térmico dos moldes de fundição injetada envolve quatro etapas principais.

Pré-aquecimento e pós-aquecimento

Este passo é essencial no tratamento térmico, uma vez que ajuda o molde a resistir a choques térmicos. Durante as operações, os moldes de fundição injectada sofrem choques térmicos devido a mudanças rápidas que podem resultar em fissuras e deformações. Durante o pré-aquecimento, os engenheiros de moldes aquecem os moldes a temperaturas de funcionamento antes do início da moldagem. Este processo evita falhas prematuras. O pré-aquecimento também prolonga a vida útil do molde e assegura a estabilidade dimensional durante as operações de moldagem.

Após o processo de moldagem, os engenheiros de moldes são submetidos a um pós-aquecimento em condições de arrefecimento controladas. Este processo reduz a formação de tensões internas que podem levar a deformações.

Alívio do stress

Este processo é fundamental nos moldes de fundição injectada. É semelhante ao recozimento em metais, mas neste caso ocorre a temperaturas relativamente mais baixas. Além disso, nos moldes de fundição injetada, o alívio de tensões visa relaxar as tensões acumuladas em vez de amolecer os materiais do molde.

Nitretação para a dureza do molde

Este processo ajuda a endurecer a superfície do aço do molde sem afetar a superfície interna dos materiais do molde. A nitretação leva a uma melhor resistência ao desgaste e aumenta a vida útil do molde.

A nitruração envolve o aquecimento do molde num ambiente rico em azoto. Neste processo, o azoto difunde-se para a superfície do aço, criando uma superfície dura de nitreto.

O objetivo do processo é semelhante ao da têmpera. No entanto, as temperaturas para a nitruração são de 500-550C, relativamente mais baixas do que a temperatura de têmpera. Enquanto a têmpera demora pouco tempo, a nitruração requer um tempo relativamente mais longo, várias horas.

No entanto, a camada de nitreto resultante é excelente e não necessita de pós-tratamento.

Tratamento térmico sob vácuo

Este processo ocorre em vácuo para evitar a oxidação e a contaminação da superfície do molde. A oxidação pode levar a um mau acabamento da superfície e enfraquecer o molde. O tratamento térmico no vácuo é semelhante a outros tratamentos térmicos de metais, incluindo o recozimento. A diferença é que ocorre no vácuo. É dispendioso, mas útil em moldes de precisão nos sectores dos dispositivos médicos e aeroespacial.

Comparação entre o tratamento térmico de metais e o tratamento térmico de moldes

Conclusão

O papel do tratamento térmico no fabrico de engenharia consiste em alterar as propriedades mecânicas e químicas da peça antes de a introduzir no processamento ou na montagem da peça. Através deste processo, o componente resultante torna-se mais útil e utilizável e é seguro para utilização na oficina. Os três processos de tratamento térmico dos metais incluem o recozimento, a têmpera e o revenido.

Ao contrário do recozimento, que tem como objetivo remover a dureza do metal, a têmpera tem como objetivo atingir a dureza e a resistência do metal. Diferentes meios de arrefecimento têm diferentes aplicações no processo de arrefecimento. Por exemplo, a utilização de água pode conduzir a uma taxa de arrefecimento muito rápida. A têmpera em óleo é aplicável a taxas de arrefecimento moderadas. Os metais arrefecem moderadamente devagar quando são arrefecidos com óleo para evitar deformações e fissuras. A têmpera segue-se normalmente ao arrefecimento para reduzir a fragilidade do metal e restaurar a sua ductilidade.

O tratamento térmico dos moldes de fundição injetada envolve quatro etapas principais: pré-aquecimento e pós-aquecimento, alívio de tensões, nitretação para a dureza do molde e tratamento térmico a vácuo. Durante o pré-aquecimento, os engenheiros de moldes aquecem os moldes a temperaturas de funcionamento antes do início da moldagem. Após o processo de moldagem, os engenheiros de moldes efectuam o pós-aquecimento em condições de arrefecimento controladas. O processo reduz a formação de tensões internas que podem levar a deformações.

Este processo ajuda a endurecer a superfície do aço do molde sem afetar a superfície interna dos materiais do molde. O tratamento térmico em vácuo é semelhante a outros tratamentos térmicos de metais, incluindo o recozimento. A diferença é que ocorre no vácuo. É dispendioso, mas útil em moldes de precisão nos sectores dos dispositivos médicos e aeroespacial.