Amolecimento do aço – métodos, temperatura, microestrutura e aplicação

Amolecimento do aço Abrange processos de tratamento térmico que reduzem a dureza de um material, aumentam sua plasticidade ou resultam em uma microestrutura mais favorável para processamento posterior. O amolecimento é utilizado principalmente antes da usinagem, da conformação plástica e de processos subsequentes de tratamento térmico, como o endurecimento.
Este processo é particularmente importante para aços de alto carbono, aços-liga e aços-ferramenta, cuja alta dureza ou teor desfavorável de carbonetos podem dificultar operações de torneamento, fresamento, furação ou outras usinagens. O amolecimento também pode ser utilizado em materiais endurecidos por trabalho a frio, onde é necessário eliminar os efeitos do trabalho a frio e restaurar a capacidade do material de sofrer deformações adicionais.
Não existe um único método universal para amolecer o aço. Dependendo do tipo de material, teor de carbono, elementos de liga, estrutura inicial e efeito desejado, vários métodos são utilizados, incluindo recozimento total, recozimento isotérmico, recozimento de esferoidização e recozimento de recristalização.

O que é o amolecimento do aço?

O processo de amolecimento explora a relação entre as propriedades mecânicas do aço e sua microestrutura. Processos de aquecimento, recozimento e resfriamento adequadamente selecionados permitem alterações no tamanho e na forma dos componentes estruturais, na distribuição de carbonetos, no estado de endurecimento do material e no nível de tensões residuais.
Dependendo do processo utilizado, podem ocorrer os seguintes fenômenos: transformação da austenita em ferrita e perlita, esferoidização da cementita ou de outros carbonetos, recristalização do material endurecido por deformação e redução da densidade de discordâncias.
O efeito típico é uma redução na dureza do material e na sua resistência a processamentos posteriores, além de um aumento na ductilidade. No entanto, o mecanismo exato depende do método utilizado, portanto, o termo "amolecimento" não deve ser associado a um único ciclo térmico específico.

Por que o aço amolece?

O material recebido após laminação, forjamento, trefilação, têmpera ou outros processos tecnológicos nem sempre apresenta as propriedades necessárias para a próxima operação de produção. A dureza excessiva aumenta o desgaste da ferramenta e as forças de corte, enquanto o endurecimento por deformação excessivo pode limitar a capacidade de estampagem, dobra ou trefilação subsequentes.
Os principais objetivos do processo de amolecimento do aço são:

• reduzindo a dureza do material,
• usinabilidade aprimorada em aços de classes apropriadas,
• aumentando a plasticidade e a capacidade de ser ainda mais moldado,
• Remover ou limitar os efeitos do endurecimento por deformação,
• obtendo uma forma favorável de cementita ou carbonetos,
• preparação do aço para têmpera e posterior tratamento térmico,
• homogeneização da microestrutura antes das etapas subsequentes de produção.

Métodos de amolecimento do aço

A escolha do método de amolecimento depende principalmente do tipo de aço e do efeito tecnológico desejado. O aço de alto carbono destinado ao endurecimento requer um processo diferente do aço de baixo carbono submetido a alto endurecimento por laminação a frio.

1. Recozimento completo

Recozimento completo Consiste em aquecer o aço a uma temperatura que garanta a austenitização adequada, aquecendo o material e, em seguida, resfriando-o muito lentamente, geralmente em conjunto com o forno.
Para aços hipoeutetóides, a temperatura do processo é selecionada acima da temperatura crítica Ac3. A temperatura exata, o tempo de permanência e a taxa de resfriamento dependem da classe do aço e das dimensões do componente.
O resfriamento lento permite a obtenção de uma estrutura de ferrita-perlita relativamente macia. Comparado a normalização do aço O resfriamento é muito mais lento, portanto a estrutura e as propriedades mecânicas resultantes são diferentes.
Uso típico: aços estruturais e outras classes que requerem redução de dureza, melhoria da plasticidade ou preparação para processamento posterior.

2. Recozimento isotérmico

Recozimento isotérmico Utiliza uma transformação controlada da austenita a uma temperatura constante. Após a austenitização, o aço é resfriado até a temperatura de transformação adequada e mantido nessa temperatura até que a microestrutura desejada seja alcançada.
Diferentemente do recozimento clássico com resfriamento lento e contínuo, a transformação ocorre sob condições isotérmicas controladas. Isso permite uma estrutura mais uniforme e, em certos aços, um tempo de processo mais curto.
O método é utilizado, entre outros, em alguns aços-liga e aços-ferramenta onde o resfriamento lento durante o recozimento tradicional seria demorado.
Efeito: Obtenção de uma microestrutura e propriedades controladas que permitam posterior processamento mecânico ou térmico.

3. Recozimento por esferoidização

Recozimento por esferoidização, também chamado de recozimento por bolas.A oxidação anódica é particularmente importante para aços de alto carbono, aços para rolamentos e aços para ferramentas. Seu objetivo é alterar a morfologia da cementita e de outros carbonetos para produzir partículas mais arredondadas e esferoidais, dispostas em uma matriz ferrítica, em vez de uma disposição lamelar ou em forma de malha.
A esferoidização pode ser realizada utilizando diversos ciclos térmicos, incluindo aquecimento prolongado próximo à temperatura Ac1 ou ciclos em uma faixa de temperatura específica. Os parâmetros dependem da composição química e da estrutura inicial da espécie em questão.
Alterar a forma e a distribuição dos carbonetos pode reduzir significativamente a dureza do aço de alto carbono e melhorar sua usinabilidade. Uma estrutura adequadamente preparada também proporciona uma condição inicial favorável antes do endurecimento subsequente.
Uso típico: Aços para ferramentas, aços para rolamentos e outros aços de alto carbono destinados a posterior processamento mecânico e têmpera.

4. Recozimento de recristalização

recozimento de recristalização É utilizado principalmente em materiais endurecidos durante processos de conformação a frio, como laminação, trefilação ou estampagem.
Durante a deformação a frio, a densidade de discordâncias aumenta, o material endurece e sua dureza e resistência aumentam, enquanto a ductilidade diminui. Uma vez atingido um alto grau de trabalho a frio, a conformação adicional pode se tornar difícil.
O recozimento de recristalização cria novos grãos, livres dos efeitos do endurecimento por deformação prévio. Isso leva a uma redução na dureza e resistência devido ao endurecimento por deformação e à restauração da ductilidade.
Uso típico: Chapas, tiras, fios e outros produtos semiacabados submetidos a intenso trabalho a frio.

Comparação de métodos de amolecimento do aço

Método Mecanismo básico Efeito principal Aplicação típica Recozimento completo Austenitização e transformação lenta durante o resfriamento Redução da dureza e estrutura mais macia Aços estruturais e produtos semiacabados antes de processamento posterior Recozimento isotérmico Transformação da austenita a uma temperatura controlada e constante Microestrutura uniforme e propriedades controladas Aços-liga e aços-ferramenta selecionados Recozimento de esferoidização Alteração na morfologia da cementita e dos carbonetos Redução da dureza e melhoria da usinabilidade Aços de alto carbono, para rolamentos e para ferramentas Recozimento de recristalização Formação de novos grãos após encruamento prévio Remoção dos efeitos do encruamento e restauração da ductilidade Chapas, tiras e fios trabalhados a frio

Comparação de métodos de amolecimento do aço

Como a microestrutura se altera durante o amolecimento?

As alterações microestruturais dependem do tipo de recozimento. Portanto, é impossível identificar uma única característica estrutural para todos os processos de amolecimento.
Dependendo da tecnologia utilizada, podem ocorrer os seguintes problemas:

• formação de uma estrutura ferrítica-perlítica durante o resfriamento lento após a austenitização,
• transformação controlada da austenita durante o recozimento isotérmico,
• esferoidização da cementita e outros carbonetos em aços de alto carbono e aços ligados,
• Recuperação e recristalização da estrutura após trabalho plástico a frio prévio,
• Reduzindo a densidade de deslocamentos e os efeitos do endurecimento por deformação.

Recozimento de esferoidização – por que é importante para aços-ferramenta?

Em aços para ferramentas e outros aços de alto carbono, a dureza por si só não é o único parâmetro que determina a adequação para usinagem. A forma, o tamanho e a distribuição dos carbonetos também são cruciais.
Uma estrutura com carbonetos quase esféricos, distribuídos adequadamente, pode facilitar a usinagem e fornecer uma condição inicial adequada para a austenitização e o endurecimento subsequentes. Portanto, os aços-ferramenta são frequentemente fornecidos na condição de recozimento brando.
A dureza real após o recozimento deve ser determinada para a classe específica do aço. Uma única faixa de dureza HB ou HV não deve ser adotada para todos os aços-ferramenta.

Amolecimento e usinabilidade do aço

Uma das razões mais importantes para aplicar o processo de amolecimento é preparar o material para torneamento, fresamento, furação, brochamento ou outras operações de usinagem. Reduzir a dureza excessiva pode diminuir a tensão na aresta de corte e o desgaste da ferramenta.
No entanto, a relação entre dureza e usinabilidade não é linear. O material com a menor dureza possível nem sempre é o mais fácil de usinar. Aços muito macios e dúcteis podem apresentar problemas com formação de cavacos, aresta postiça e acabamento superficial.
Portanto, o processo adequado é selecionado não apenas para atingir a menor dureza possível, mas sobretudo para obter uma microestrutura apropriada para o material específico e a tecnologia de produção subsequente.

Amolecimento e teor de carbono no aço

O teor de carbono tem um impacto significativo na escolha do método de amolecimento. Em aços de baixo carbono, a eliminação dos efeitos do endurecimento por trabalho a frio pode ser particularmente importante. Em aços de médio carbono, a escolha do processo depende, entre outros fatores, do tratamento mecânico e térmico subsequente.
Em aços de alto carbono, a morfologia da cementita e de outros carbonetos está se tornando cada vez mais importante. Portanto, processos que levam à esferoidização de carbonetos são frequentemente utilizados em aços para ferramentas, rolamentos e molas.

Amolecimento dos aços carbono

Para aços carbono, a escolha do tratamento depende do teor de carbono e da condição final desejada. Por exemplo, o aço C45 pode exigir um tratamento diferente do aço para molas ou aços ferramenta com alto teor de carbono.
Em aços com maior teor de carbono, o recozimento de esferoidização pode ser utilizado antes da usinagem e do endurecimento subsequente. A obtenção da forma adequada de cementita facilita o processamento posterior e prepara a estrutura para o próximo ciclo térmico.

Amolecimento de aços-liga

Os elementos de liga podem influenciar significativamente as temperaturas de transformação, a temperabilidade, o tipo de carbonetos formados e a taxa de processos de difusão. Portanto, os parâmetros adequados para o aço carbono comum não devem ser automaticamente aplicados a aços de cromo, cromo-molibdênio, níquel ou aços de alta liga.
Em aços-liga, o controle da temperatura, do tempo e da taxa de resfriamento é particularmente importante. Para aços-ferramenta, os parâmetros de recozimento para amolecimento são geralmente determinados individualmente para cada classe.

Amolecimento dos aços inoxidáveis

No que diz respeito aos aços inoxidáveis, o termo "amolecimento" requer mais cautela. Os aços austeníticos, ferríticos, martensíticos e duplex possuem microestruturas diferentes e requerem tratamentos térmicos distintos.
Por exemplo, os aços inoxidáveis ​​austeníticos podem sofrer endurecimento significativo durante o trabalho a frio. Restaurar sua ductilidade requer um tratamento térmico cuidadosamente selecionado e apropriado para a classe específica. Portanto, não se deve utilizar uma única faixa de temperatura universal para "amolecer o aço inoxidável".

O efeito do tempo e da temperatura no amolecimento do aço

Temperatura e tempo estão intimamente relacionados. Uma temperatura muito baixa pode não levar às alterações microestruturais necessárias, enquanto uma temperatura muito alta ou um aquecimento excessivamente longo podem causar crescimento indesejável de grãos ou outras alterações estruturais.
Os parâmetros do processo devem incluir:

• grau e composição química do aço,
• temperaturas críticas do material,
• estrutura de saída,
• grau de fortalecimento prévio,
• dimensões e geometria do elemento,
• tipo de forno e método de aquecimento,
• microestrutura final esperada,
• tipo de tratamento mecânico ou térmico adicional.

Efeito da taxa de resfriamento

A taxa de resfriamento é um dos parâmetros que determina a estrutura final do aço. O recozimento completo clássico utiliza resfriamento lento para permitir as transformações que levam a uma estrutura mais macia.
No recozimento isotérmico, o material austenitizado é levado a uma temperatura específica na qual ocorre uma transformação controlada. No recozimento de recristalização, por outro lado, o método de resfriamento tem um significado diferente, já que o objetivo principal do processo é remover os efeitos do encruamento prévio, e não transformar a austenita.
Por essa razão, um único valor de taxa de resfriamento não deve ser considerado adequado para todos os processos de amolecimento.

Atmosfera durante o recozimento suave

Durante o recozimento, não apenas a temperatura e o tempo são importantes, mas também a atmosfera do forno. Altas temperaturas podem levar à oxidação da superfície, formação de incrustações e, sob certas condições, alterações na composição química da camada superficial.
Dependendo das exigências tecnológicas, são utilizados fornos que operam em atmosfera de ar, atmosferas protetoras ou vácuo. Atmosferas protetoras ou vácuo podem ser particularmente importantes para componentes de precisão e aços-liga, onde são necessários redução da oxidação e alta qualidade superficial.

Aplicação do amolecimento do aço na indústria

Produção de ferramentas

Os aços para ferramentas são frequentemente tratados mecanicamente antes do endurecimento final. O recozimento de amolecimento, particularmente a esferoidização, produz uma estrutura que facilita a fresagem, o torneamento, a furação e outras operações realizadas antes do tratamento térmico final.

Produção de rolamentos

Em aços para rolamentos com alto teor de carbono, é importante obter a forma e a distribuição adequadas dos carbonetos antes do endurecimento. O recozimento de esferoidização é, portanto, uma etapa crucial na preparação do material.

Produção de chapas, tiras e fios

Os materiais submetidos à laminação a frio ou trefilação endurecem gradualmente. O recozimento de recristalização restaura a ductilidade adequada e permite que o processo de conformação continue.

Indústria de máquinas

O amolecimento pode ser utilizado na preparação de produtos semiacabados para eixos, engrenagens, componentes de transmissão, moldes e outras peças que requerem usinagem intensiva antes do tratamento térmico final.

recozimento para amolecimento e alívio de tensões

O amolecimento não deve ser equiparado a recozimento para alívio de tensõesO principal objetivo do alívio de tensões é reduzir as tensões residuais, minimizando a alteração na microestrutura básica do material.
Durante o processo de amolecimento, o objetivo principal é alterar a dureza, a plasticidade ou a microestrutura de forma a facilitar as operações tecnológicas subsequentes.

Suavização e normalização

Aço normalizador Envolve austenitização e subsequente resfriamento ao ar. Em muitos aços carbono, isso resulta em uma estrutura mais fina e maior dureza e resistência do que o recozimento lento.
Se o objetivo principal for tornar o aço ferramenta de alto carbono o mais fácil possível de usinar, o recozimento de esferoidização pode ser um processo mais apropriado. No entanto, se o refinamento de grãos e a homogeneidade estrutural forem necessários após a forjagem ou laminação, a normalização pode ser o processo adequado.

Amolecimento e endurecimento

Amolecimento e endurecimento do aço Elas perseguem objetivos fundamentalmente diferentes. O endurecimento produz uma estrutura de alta dureza, enquanto o amolecimento é usado para reduzir a dureza ou obter uma estrutura favorável para processamento posterior.
No entanto, esses processos geralmente ocorrem em uma única sequência tecnológica. O aço ferramenta pode primeiro ser recozido para amolecimento, depois processado mecanicamente e somente então temperado e perdoado.

Os benefícios mais importantes do amolecimento do aço

• reduzir a dureza excessiva,
• Melhorar a usinabilidade em classes apropriadas,
• aumentando a plasticidade do material,
• restauração da plasticidade após trabalho a frio,
• obtendo a morfologia de carboneto apropriada,
• Preparação de aços para ferramentas e aços de alto carbono para têmpera,
• a possibilidade de realizar etapas subsequentes de conformação e processamento mecânico.

Limitações do processo

• Os parâmetros devem ser selecionados para uma classe específica de aço.
• Temperaturas muito altas podem levar a um crescimento desfavorável dos grãos.
• O resfriamento incorreto pode resultar em uma microestrutura incorreta.
• Os processos de esferoidização podem exigir longos tempos de aquecimento.
• Nem todos os métodos de amolecimento são adequados para todos os tipos de aço.
• No caso de aços de alta liga, o tipo e a estabilidade dos carbonetos presentes, bem como as transformações específicas de uma determinada classe, devem ser levados em consideração.

O amolecimento do aço não é um processo único com parâmetros universais, mas sim um conjunto de tratamentos térmicos selecionados com base na composição química, na microestrutura inicial e na aplicação pretendida do material. O recozimento completo, o recozimento isotérmico, o recozimento de esferoidização e o recozimento de recristalização utilizam mecanismos diferentes, mas seu objetivo comum é alcançar uma condição do material mais favorável para as operações tecnológicas subsequentes.

Para aços de alto carbono e aços ferramenta, o recozimento de esferoidização é particularmente importante, pois permite uma mudança na morfologia dos carbonetos e prepara o material para usinagem e posterior têmpera. Em materiais reforçados por trabalho a frio, a recristalização é crucial, eliminando os efeitos do trabalho a frio e restaurando a ductilidade.
A temperatura, o tempo de permanência e o método de resfriamento devem sempre ser especificados para uma determinada classe de aço. Isso permite obter a microestrutura desejada sem crescimento descontrolado de grãos, transformações indesejáveis ​​ou deterioração das propriedades do material.

Métodos de tratamento térmico e termoquímico do aço

O amolecimento é apenas um dos grupos de processos utilizados para modificar a microestrutura e as propriedades do aço. Dependendo do efeito desejado, também são utilizados processos como normalização, alívio de tensões, têmpera, revenimento e processos termoquímicos, como cementação e nitretação.

Métodos de tratamento térmico do aço

• Aço normalizador – Refinamento de grãos e unificação da microestrutura.
• Wyżarzanie odprężające – redução das tensões residuais.
• Amolecimento do aço – reduzindo a dureza e melhorando a suscetibilidade a processamentos posteriores.
• Recozimento completo – austenitização e resfriamento lento.
• Recozimento isotérmico – transformação realizada enquanto mantida a uma temperatura adequadamente selecionada.
• Recozimento por esferoidização – alteração na morfologia da cementita ou de outros carbonetos.
• recozimento de recristalização – Eliminação dos efeitos do esmagamento e restauração da plasticidade.
• recozimento de homogeneização – reduzir a segregação e homogeneizar a composição do material.
• Endurecimento e tratamento térmico – moldando a microestrutura e as propriedades por meio de têmpera e revenido.
• Aço temperado – Modificação controlada das propriedades do aço após o endurecimento.
• Endurecimento por indução – Aquecimento por indução de superfície e resfriamento rápido.
• endurecimento por chama – Endurecimento superficial após aquecimento localizado com chama.
• Supersaturação – Obtenção de uma solução sólida supersaturada por meio de um ciclo térmico apropriado.
• Envelhecimento – Separação de fases controlada que leva ao fortalecimento do material.

Métodos de tratamento termoquímico do aço

• Nitretação do aço – enriquecimento difusional da camada superficial com nitrogênio.
• Aço cementado – enriquecimento difusional da superfície com carbono.
• Carbonitretação – enriquecimento simultâneo da camada superficial com carbono e nitrogênio.
• Nitrocarbonetação / nitrocarbonetação – enriquecimento da camada principalmente com nitrogênio e carbono.
• Perfuração – saturação por difusão da superfície com boro.
• Cromagem por difusão – enriquecimento da camada com cromo por difusão.
• aluminização por difusão – enriquecimento por difusão da camada em alumínio.