Qual é a diferença entre os processos térmicos a frio realizados com nitrogênio líquido subzero e criogenia?

Quando pensamos em tratamento térmico, normalmente nos vem à mente altas temperaturas e peças incandescentes. Porém, existem os tratamentos térmicos realizados à baixíssimas temperaturas, utilizando-se, por exemplo, nitrogênio líquido. Técnica essa que oferece benefícios significativos nas propriedades mecânicas dos materiais.

Para entender mais sobre esse processo e sua importância para a indústria, neste artigo vamos explorar alguns detalhes sobre o método de aplicação do nitrogênio líquido nos processos industriais, desde sua base técnica até as diversas vantagens.

Assim, abordaremos a diferença entre os processos térmicos a frio com nitrogênio líquido subzero e criogenia. Destacando também, os efeitos dessas técnicas nos materiais e os métodos de aplicação específicos.

Além disso, analisaremos também, os benefícios proporcionados por esse tipo de tratamento térmico, assim como as suas implicações nas indústrias automotiva, aeroespacial, metalúrgica e outras.

Então, se você quer saber mais sobre essa técnica e descobrir as perspectivas futuras e as possíveis inovações nesse campo vislumbrando o potencial contínuo desse método, chegou ao lugar certo. Continue a leitura e confira!

O que são processos térmicos a frio?

Os processos térmicos a frio são técnicas de tratamento que envolvem a manipulação de materiais em temperaturas muito baixas, resultando em alterações nas suas propriedades físicas e mecânicas. Desse modo, esses processos são cruciais em várias indústrias devido à capacidade de melhorar a durabilidade, resistência e desempenho dos materiais. Além disso, são capazes de otimizar processos de fabricação e reduzir custos de produção.

Diferença entre criogenia e subzero na metalurgia

Na prática, os termos “criogenia” e “subzero” são frequentemente usados de forma intercambiável para descrever o mesmo processo de tratamento térmico, que envolve a exposição do material a temperaturas muito baixas. No entanto, tecnicamente, “criogenia” se refere ao estudo e à produção de temperaturas extremamente baixas, enquanto “subzero” simplesmente significa abaixo de zero grau Celsius.

Assim, o tratamento térmico de subzero geralmente se refere ao processo de resfriamento de um material a temperaturas abaixo de zero grau Celsius. Mas, não necessariamente tão baixas quanto as temperaturas criogênicas típicas, que podem chegar a -196°C ou até mais baixas. Em resumo, a criogenia é um termo mais específico para temperaturas extremamente baixas, enquanto subzero é um termo mais genérico que pode incluir uma faixa mais ampla de temperaturas abaixo de zero.

Em metalurgia, por convenção, temos que:

Subzero: consiste da operação de resfriamento do aço a temperaturas abaixo de zero grau, geralmente entre -70ºC e -120ºC, utilizando-se soluções líquidas compostas da mistura de Nitrogênio líquido mais substâncias, tais como: Álcool, Acetona, CO₂ líquido ou adições de gelo seco.

Criogenia: consiste do resfriamento do aço em Nitrogênio líquido para alcançar a temperatura deste, ou seja, -196ºC.

Por que realizar o Subzero, ou Criogenia?

Certas ligas ferrosas, em função do teor em Carbono, elementos de liga e condições de resfriamento (taxa), deslocam para baixo (no diagrama TRC) as temperaturas de início (Mi) e fim (Mf) de transformação Martensítica. Nesses casos, quando o aço alcança a temperatura ambiente, apresentará uma determinada quantidade (% em volume) de Austenita não transformada, o que chamamos de “Austenita Retida”.

Essa Austenita Retida não é desejável, pois interfere negativamente em propriedades como resistência à compressão, tenacidade, resistência ao desgaste e na estabilidade dimensional durante o uso da ferramenta, além de, também ser prejudicial a processos como eletroerosão, retífica e posteriores processos termoquímicos aos quais a ferramenta venha a ser submetida, como nitretação e/ou revestimentos tipo PVD, onde pode causar, por exemplo, variações dimensionais e alterações de durezas. Portanto, essa Austenita retida precisa ser transformada em Martensita, já que as propriedades mecânicas dos aços são atendidas plenamente quanto maior a uniformidade microestrutural.

Esta transformação pode ser obtida através da realização de revenimentos ou do uso destes dois meios de resfriamento, os quais forçarão a transformação da “Austenita Retida” em Martensita. Portanto, o tratamento Subzero age para melhorar a uniformidade microestrutural e a estabilidade dimensional.

ISOCRIO^® 

Processo ISOFLAMA de tratamento térmico em baixas temperaturas, que podem variar entre -70ºC e -196ºC, visando a transformação da Austenita Retida em Martensita

Procedimento

Metalurgicamente, o ideal é que o subzero ou criogenia sejam realizados logo após o resfriamento da têmpera. Porém, devido ao elevado nível de tensões a que a peça será exposta, em certas situações é recomendável sua realização entre o primeiro e o segundo revenimentos.

De modo geral, a operação consiste na imersão da peça de aço em Nitrogênio líquido (Criogenia) ou solução líquida de Nitrogênio e Álcool (Subzero) por, pelo menos, uma (1) hora e, em seguida, aguardar o retorno à temperatura ambiente. Na sequência, realizar o processo térmico de alívio de tensões ou revenimentos, visando a adequação/ajuste da dureza.

Quando utilizar o ISOCRIO®?

 A decisão pela sua utilização depende de:

• Composição química do aço;
• Parâmetros de tratamento térmico utilizados: temperatura de austenitização e taxa de resfriamento na têmpera;
• Geometria da peça.

A “geometria da peça” é fundamental importância, pois no tratamento térmico Subzero ocorre a formação de elevadas tensões e, consequentemente, maior risco de nucleação de trincas nas áreas de concentração destas tensões.

Vantagens

Como estes processos forçam a transformação da Austenita retida em Martensita, temos os seguintes benefícios:

• Uniformidade microestrutural;
• Estabilidade dimensional em trabalho;
• Aumento da tenacidade;
• Aumento da resistência ao desgaste;
• Aumento da resistência à compressão;
• Aumento da dureza em determinadas situações.

Limitações:

Conforme comentado anteriormente, o tratamento térmico em baixas temperaturas pode trazer vantagens, mas também traz riscos, motivo pelo qual devemos ter especial atenção a alguns fatores limitantes, como:

• Dimensão de equipamento;
• Controle da temperatura da solução do processo;
• Operação exige extremo cuidado na manipulação das peças;
• Aplicável para até determinadas dimensões de peças;
• Risco de trinca cresce conforme dimensão e geometria da peça;

Diante do exposto, fica claro que não é possível generalizar a prática do subzero, pois há riscos envolvidos. Em certas situações, a realização de vários revenimentos (desde que respeitando-se os tempos e temperaturas corretos), por exemplo no caso de aços alta liga, como os das classes trabalho a frio e aços rápidos, pode produzir efeito similar na redução dos teores de “Austenita Retida”. Sendo assim, é sempre recomendável consultar nossa assessoria técnica para juntos definirmos qual a melhor rota de tratamento térmico para cada situação, levando-se em conta os objetivos desejados, a geometria da peça e os riscos envolvidos.

Leitura complementar: aplicação do Nitrogênio líquido na indústria

Como vimos, o Nitrogênio líquido pode ser utilizado em operações de tratamento térmico a frio de peças confeccionadas em aços, mas sua aplicação na indústria em termos de tratamentos térmicos não se limita ao setor metalúrgico. Sendo assim:

Indústria alimentícia

Este método é frequentemente utilizado na indústria alimentícia para congelar alimentos de forma rápida e eficiente como sorvetes, carnes, frutas e vegetais, preservando sua qualidade, textura e sabor.

Indústria eletrônica

Na indústria eletrônica, o Nitrogênio líquido é utilizado no resfriamento de componentes eletrônicos durante processos de fabricação, como a soldagem. Isso porque, ele ajuda a evitar danos térmicos aos componentes sensíveis e garante a qualidade dos produtos eletrônicos.

Armazenamento criogênico e criopreservação de materiais biológicos

O armazenamento criogênico de materiais biológicos, como células, tecidos, órgãos e amostras de DNA, também pode utilizar este tipo de processo. Portanto, biobancos, laboratórios de pesquisa e clínicas de fertilização in vitro a empregam para preservar material biológico a longo prazo.

Por fim, a criopreservação de células-tronco, óvulos, espermatozoides e outros materiais biológicos para uso em pesquisa médica, reprodução assistida e terapias regenerativas também podem empregar o Nitrogênio.

Essas são apenas algumas das muitas aplicações do Nitrogênio líquido na indústria. Afinal, sua versatilidade, baixa temperatura e capacidade de resfriamento rápido o tornam um componente essencial na variedade de processos industriais. Assim contribuindo para a produção de produtos de alta qualidade e o avanço da ciência e da tecnologia.

Quer saber mais sobre esses processos e muitos outros que podem potencializar a rotina industrial? Acompanhe o Infotec da ISOFLAMA e tenha acesso a inúmeros conteúdos sobre o assunto. Nos siga também nas redes sociais para ficar por dentro das novidades em primeira mão!