O tratamento térmico é um processo de fabricação popular que melhora a qualidade dos materiais por meio da exposição controlada à temperatura. O endurecimento por precipitação é um dos processos de tratamento térmico mais comuns e úteis, cujo objetivo principal é aumentar o limite de escoamento e a tenacidade das ligas metálicas.
Neste artigo, discutimos em detalhes o endurecimento por precipitação. Explicamos o processo de endurecimento por precipitação, quais materiais são comumente endurecidos por precipitação, bem como as vantagens e desafios.
O que é o endurecimento por precipitação?
Comecemos com a questão principal desta discussão: O que é o endurecimento por precipitação? Simplificando, o endurecimento por precipitação, também chamado de endurecimento por envelhecimento ou endurecimento por partículas, é um método de tratamento térmico que aumenta a resistência das ligas metálicas.
Ele funciona principalmente formando precipitados de materiais/impurezas de liga ou partículas de fase secundária dentro da estrutura principal do material hospedeiro. Esses precipitados causam distorções na estrutura cristalina da liga e produzem o efeito característico de aumento da precipitação.
Resumindo, o envelhecimento por envelhecimento é extremamente útil para melhorar as propriedades dos materiais de uma variedade de ligas. Ele permite que os engenheiros projetem componentes com longa vida útil com um orçamento limitado e disponibilidade limitada de materiais.
Como funciona o endurecimento por precipitação?
O processo de endurecimento por precipitação consiste essencialmente em três etapas, cada uma exigindo um controle cuidadoso.
1. Preparação
O primeiro passo é preparar a peça e o sistema de endurecimento por precipitação.
Para a peça, os profissionais tomam alguns cuidados para garantir que o tratamento térmico seja o mais eficiente e econômico possível. Geometrias complexas e volumosas geralmente são desafiadoras porque o calor não é distribuído uniformemente por todo o corpo, o que leva a problemas posteriores. Portanto, o objetivo é manter a geometria o mais simples possível. No entanto, isto nem sempre é possível porque a maioria dos componentes de endurecimento por precipitação são produtos acabados, como matrizes ou ferramentas.
Além disso, o equipamento de cura geralmente é um forno que aloja a peça durante o aquecimento e mantém o calor no nível necessário. Em geral, os fornos precisam ser preparados com bastante antecedência para atingir as temperaturas corretas e uma distribuição uniforme do calor por toda a câmara de aquecimento. Uma das etapas preparatórias importantes durante a cura é a limpeza, aquecimento e controle de temperatura do forno.
2. Dissolução ou tratamento em solução
É aqui que começa o verdadeiro tratamento térmico. O objetivo de toda esta atividade, como já explicado, é tornar a liga mais tenaz, alterando a sua microestrutura. Isto não é possível à temperatura ambiente porque os componentes microestruturais são imóveis e fixos nas suas posições específicas.
Portanto, o metal deve primeiro ser levado a um estado no qual as alterações desejadas em sua microestrutura possam ser feitas. Nesta etapa, os operadores aquecem a liga a alta temperatura em um forno. Normalmente a temperatura de aquecimento está logo abaixo do ponto de fusão da liga ou ligeiramente acima da sua temperatura de recristalização.
A esta temperatura, os elementos de liga e todas as outras impurezas do metal hospedeiro se dissolvem e formam uma solução sólida homogênea. Por esse motivo, esta etapa é chamada de tratamento em solução. É alcançada uma distribuição uniforme e uniforme dos elementos de liga através do volume da solução sólida.
Agora esta solução está pronta para a próxima etapa do processo de cura.
3. Têmpera
A próxima etapa no processo de endurecimento por precipitação é a têmpera. No final da fase de endurecimento em solução, os elementos de liga são distribuídos uniformemente na matriz do metal hospedeiro e todas as partículas da microestrutura podem se mover facilmente na matriz. A estrutura é altamente dúctil e flexível. É claro que isto não é desejável com ligas duras.
Portanto, na fase de extinção, este estado de solução sólida é congelado no lugar. Para fazer isso, a solução sólida extremamente quente é rapidamente resfriada até a temperatura ambiente em um meio de têmpera adequado, como água ou óleo.
Após a têmpera, todas as partículas da microestrutura são fixadas em suas respectivas posições. Isto mantém a uniformidade da solução sólida, mas perde a ductilidade da solução de alta temperatura. Neste estado congelado, o movimento da microestrutura é extremamente restrito porque as partículas estão fixas no lugar.
4. Precipitação
A etapa final no tratamento térmico de precipitação é a precipitação ou envelhecimento. Após a têmpera, os operadores reaquecem a liga a uma temperatura mais baixa e a mantêm ali por um longo período de tempo. É daí que vem o nome “envelhecimento”, pois leva tempo.
A temperatura de envelhecimento depende do metal da liga, mas geralmente está na faixa entre 150 °C e 550 °C. O período de envelhecimento é geralmente de algumas horas.
Durante o envelhecimento, os elementos de liga se misturam na solução sólida e formam pequenos aglomerados finamente dispersos dentro da matriz. Esses aglomerados, ou precipitados, como os chamamos aqui, causam o endurecimento das partículas, atuam como barreiras ao movimento das discordâncias na matriz da rede e evitam a deformação plástica. Isso aumenta a dureza e a resistência do material.
É muito importante controlar a temperatura e a duração do envelhecimento nesta etapa. Tem um impacto direto no tamanho, distribuição e composição dos precipitados, o que por sua vez afeta a qualidade da liga endurecida por precipitação.
Após a precipitação desejada ter sido alcançada, a liga é lentamente trazida de volta à temperatura ambiente e está então pronta para uso.
Quais materiais são comumente submetidos ao processo de endurecimento por precipitação?
O tratamento térmico por precipitação é usado para uma variedade de ligas metálicas. Os mais comuns são o alumínio endurecível por envelhecimento (2024, 6061 e 7075), aço inoxidável endurecível por precipitação (17-4 PH, 15-5 PH), ligas de titânio e ligas de magnésio.
O endurecimento não se limita aos metais convencionais, mas também se estende às superligas. Superligas à base de níquel, como Inconel 718, Waspaloy e René 41, também são compatíveis com tratamento térmico por precipitação.
No geral, a gama de ligas endurecíveis é muito diversificada e oferece aos engenheiros muita flexibilidade no seu trabalho. Por exemplo, o aço inoxidável endurecível por envelhecimento aumenta o limite de escoamento do material e oferece uma combinação única de propriedades do material, como alta resistência, resistência à corrosão e boa aparência.
Vantagens do endurecimento por precipitação
Os materiais endurecidos por precipitação são caracterizados por inúmeras propriedades materiais favoráveis que os tornam superiores às suas variantes não tratadas. Esta seção resume os principais benefícios do endurecimento de partículas.
Maior força
A maior vantagem do endurecimento por precipitação é o aumento do limite de escoamento. Como mencionado anteriormente, isso ocorre porque o endurecimento das partículas evita movimentos de deslocamento e proporciona plasticidade adicional à liga.
Para colocar as coisas em perspectiva, o alumínio 6061 é um candidato popular para endurecer o alumínio. A dureza de endurecimento T6 aumenta o limite de escoamento desta liga de 124 MPa para 276 MPa, mais que o dobro do valor original. Isto destaca a importância do endurecimento por precipitação para melhorar a resistência de um material.
dureza
Outra propriedade positiva que pode ser melhorada através da cura é a tenacidade. Libera tensões internas do material e garante uma microestrutura mais uniforme. Isto aumenta a resistência a cargas de choque e fraturas relacionadas com tensões e contribui para a integridade estrutural das estruturas técnicas.
Considere novamente o alumínio 6061. Sua resistência à tração aumenta de 117 MPa para 310 MPa com tratamento térmico T6, ilustrando o efeito do endurecimento por precipitação.
dureza
A dureza é outra propriedade importante que é melhorada durante o processo de cura. Como antes, isto é produto do aumento da resistência aos deslocamentos dentro da matriz da liga.
Veja o processo de fundição sob pressão, por exemplo. Os moldes devem ser fortes, duros e muito duráveis para suportar milhares de ciclos de produção. Para conseguir isso, os fabricantes utilizam moldes de aço ou alumínio endurecidos por precipitação, que têm vida útil mais longa e maior valor para produção em massa.
Estabilidade dimensional
A melhoria na resistência e tenacidade também é acompanhada por uma melhoria na estabilidade dimensional da liga. O material torna-se ligeiramente mais resistente à deformação térmica e plástica, resultando numa maior capacidade de manter a sua forma sob esforços mecânicos e térmicos.
Do ponto de vista técnico, este é um recurso muito desejável. Após a cura, as peças não se deformam facilmente e mantêm a sua forma durante processos de produção intensivos, como maquinação e polimento de metais.
Eficácia de custos
O tratamento térmico por precipitação também resulta em custos de produção mais baixos. A melhoria nas propriedades mecânicas muitas vezes supera o custo adicional do tratamento térmico porque não requer investimento em uma liga cara com as mesmas propriedades.
Por exemplo, as propriedades do aço inoxidável endurecido por precipitação podem ser comparáveis às dos materiais de alta resistência, economizando o custo de aquisição de ligas de titânio caras.
Desafios e dicas para tratamento de endurecimento excretor
O endurecimento por precipitação apresenta alguns desafios. O sucesso depende dos requisitos de controle de precisão e de mecanismos complexos. As seções a seguir destacam alguns dos principais desafios e dicas de cura.
Desafios do endurecimento por precipitação
Aqui estão três desafios principais no processo de precipitação.
Homogeneidade da precipitação
Alcançar tamanho e distribuição uniformes de precipitação é fundamental para uma cura bem-sucedida, mas pode ser um desafio. Problemas como estes ocorrem quando o calor é aplicado de forma desigual ao material ou quando a têmpera não é eficiente o suficiente para congelar todas as partes do volume do material uniformemente. Isto é particularmente difícil com peças grandes e complexas.
envelhecimento excessivo
O envelhecimento excessivo é um problema comum no tratamento térmico por precipitação. Ocorre quando o material envelhece em temperaturas muito altas ou por muito tempo, fazendo com que os precipitados fiquem grossos. O resultado é uma redução na força.
Tensões internas
Um efeito colateral negativo do rápido resfriamento durante a têmpera e a subsequente expansão térmica durante o envelhecimento é a criação de tensões internas no material. Isto pode levar a distorções dimensionais, fissuras e propriedades irregulares. Os engenheiros podem combater isso minimizando os gradientes térmicos durante os ciclos de aquecimento e resfriamento e aplicando tratamentos de alívio de tensão, como compressão a frio.
Dicas de endurecimento por precipitação
Para garantir que o tratamento da precipitação corra bem, você pode seguir as dicas abaixo.
Otimize os parâmetros de tratamento térmico
Numerosos parâmetros como temperatura, tempo e taxas de aquecimento/resfriamento determinam o sucesso do processo de endurecimento por precipitação. Compreender como esses parâmetros afetam o resultado e otimizar sua seleção de acordo ajudará você a obter resultados ideais.
Por exemplo, se você usar um meio de resfriamento ruim durante a têmpera, a taxa de resfriamento pode diminuir, causando a formação de precipitados maiores do que o necessário dentro da matriz da liga, afetando negativamente sua dureza e tenacidade. No entanto, este nível de proficiência requer alguma experimentação e experiência, por isso é necessário utilizar métodos de teste apropriados e dedicar algum tempo para aprender.
Controle preciso de temperatura
Manter a temperatura correta durante o endurecimento por precipitação é crucial para um processo de tratamento térmico bem-sucedido. Por exemplo, os valores de orientação geral para temperaturas de solução e envelhecimento para o alumínio 6061 são 529 °C e 160 °C, respectivamente. Para maximizar a eficiência do tratamento térmico, os operadores devem permanecer dentro de uma faixa estreita destas metas de temperatura.
Inspeção de qualidade
Monitorar o desempenho do processo por meio de testes de qualidade é uma ótima maneira de obter feedback sobre o desempenho do seu sistema de tratamento térmico. Os testes que os engenheiros usam para testes de qualidade em processo incluem testes não destrutivos e testes de dureza para medir a propensão a falhas e as propriedades do material.
Endurecimento por precipitação vs. recozimento e têmpera
O tratamento térmico é um conceito muito versátil que inclui diversos tipos de processos. O endurecimento por precipitação, o recozimento e a têmpera são provavelmente os mais comuns deles. É claro que existe alguma confusão entre estes processos, uma vez que todos os três envolvem submeter as ligas à temperatura durante períodos de tempo específicos.
Endurecimento por precipitação vs. recozimento
O recozimento é principalmente um processo de alívio de tensão que melhora a ductilidade e usinabilidade do material. Isto contrasta com o endurecimento, cujo objetivo principal é tornar o material mais resistente e mais duro.
Porém, o início de ambos os processos é semelhante. O forno aumenta a temperatura da liga até um ponto próximo da temperatura de recristalização. Depois disso, porém, as etapas de ambos os processos são diferentes.
Durante o endurecimento por precipitação, a solução sólida e quente é rapidamente resfriada (extinta) na próxima etapa. Durante o recozimento, por outro lado, a liga aquecida esfria muito mais lentamente e de maneira mais controlada em um meio de resfriamento menos agressivo, como o ar parado.
Endurecimento por precipitação vs. têmpera
A têmpera já foi mencionada anteriormente nesta discussão, pois também é um subprocesso do processo de endurecimento por precipitação.
A têmpera envolve aquecer o material a uma alta temperatura e depois resfriá-lo muito rapidamente até a temperatura ambiente, congelando sua microestrutura em seu estado atual. Isso leva à dureza e fragilidade do material.
Isto é fundamentalmente diferente do endurecimento por precipitação. O endurecimento envolve aquecer o material, temperá-lo e depois aquecê-lo novamente para formar precipitados de endurecimento. Portanto, envolve mais etapas do que um simples processo de têmpera.
Aplicações do Processo de Endurecimento por Precipitação
O endurecimento por precipitação tem inúmeras aplicações em uma ampla variedade de indústrias. Algumas das aplicações mais importantes são destacadas abaixo.
- Aeroespacial: Ligas endurecidas por precipitação são amplamente utilizadas na fabricação de componentes estruturais de aeronaves, como trens de pouso, componentes de motores, fixadores, etc. Por exemplo, Al-6061 T6 é conhecido por ser adequado para uso espacial devido às suas aplicações aeroespaciais.
- Indústria automobilística: Componentes automotivos, como peças de motor, componentes de suspensão e peças de chassi, passam por um processo de cura para maior resistência e durabilidade.
- Médico: Muitos fabricantes de implantes e instrumentos cirúrgicos preferem ligas endurecidas por precipitação devido à sua dureza e durabilidade.
- Fabricação de ferramentas: As ferramentas de corte para usinagem geralmente são feitas de ligas de precipitação devido à sua maior resistência e resistência ao desgaste.
Concluindo
O endurecimento por precipitação é, sem dúvida, um dos processos de tratamento térmico mais úteis na fabricação. Oferece resultados incríveis na forma de maior resistência, dureza e estabilidade dimensional.
Perguntas frequentes
Que influência a escolha da temperatura e do tempo de endurecimento tem nas propriedades das ligas endurecidas por precipitação?
A temperatura e a duração da cura são críticas para alcançar os resultados desejados. Temperaturas mais altas ou tempos de exposição mais longos podem produzir precipitações mais grosseiras e, assim, reduzir os efeitos positivos da cura.
Quais são os maiores desafios para alcançar a formação uniforme de precipitados em uma peça de formato complexo?
Com geometrias de peças complexas, alcançar propriedades uniformes é um desafio. Estratégias como resfriamento controlado e dispositivos de tratamento térmico podem dar conta do recado.
Que influência o meio de têmpera tem nas propriedades de uma liga endurecida por precipitação?
A escolha do meio de têmpera (água, óleo, solução polimérica, etc.) pode afetar a taxa de resfriamento durante a têmpera e a microestrutura resultante do material. Diferentes taxas de têmpera podem levar a variações na dureza, resistência e tensões residuais, o que pode impactar negativamente a qualidade da peça.
