Envelhecimento da matriz metálica: entenda todo o processo térmico!

Luiz 21 / jun

Veja como funciona o processo de envelhecimento em ligas metálicas

Em primeiro lugar, antes de entrarmos no processo térmico de envelhecimento propriamente dito, é importante saber que a matriz metálica, como as ligas ferrosas e os aços, sofrem um processo de envelhecimento natural, o qual ocorre ao longo do tempo, em condições ambientais normais.

Esse fenômeno está relacionado à evolução microestrutural das ligas metálicas ao longo do tempo, resultando em mudanças das propriedades mecânicas, podendo levar semanas, meses ou até mesmo anos.

Dessa forma, aqui estão algumas características do envelhecimento natural de ligas metálicas:

Formação de precipitados

Ao longo do tempo, a estrutura cristalina da liga pode sofrer alterações devido à formação de precipitados em sua matriz, ou seja, átomos de certos elementos podem se agrupar para formar partículas sólidas, levando à melhoria das propriedades mecânicas.

Aumento gradual de dureza

Uma característica comum do envelhecimento natural é um aumento gradual na dureza do material. Além disso, isso ocorre à medida em que os precipitados se formam, interferindo nos movimentos de discordâncias na estrutura cristalina, o que aumenta a resistência mecânica.

Aumento da resistência à tração

A resistência à tração também pode aumentar durante o envelhecimento natural, devido à formação de precipitados que fortalecem a estrutura da liga.

Mudanças na tenacidade e na resistência ao impacto

Por outro lado, em alguns casos, o envelhecimento natural pode levar a uma redução na tenacidade do material, especialmente se ocorrer uma diminuição na energia de impacto absorvida.

Estabilidade a longo prazo

O envelhecimento natural é um processo relativamente lento e ocorre ao longo de um período de anos. As mudanças nas propriedades mecânicas são, portanto, observadas em uma escala de tempo mais longa.

Influência dos elementos de liga

A presença de elementos de liga, como carbono, manganês, silício e outros, desempenha um papel crucial no envelhecimento natural e nas mudanças das propriedades da liga em questão.

A compreensão do processo de envelhecimento natural é muito importante para aplicações em que as ligas metálicas estão sujeitas a longos períodos de serviço, como estruturas de construção, pontes e outras infraestruturas.

Portanto, a previsão do comportamento a longo prazo desses materiais é essencial para garantir a segurança e a durabilidade destas estruturas.

Processo Térmico de Envelhecimento de matriz metálica

Primeiramente, o também conhecido como Endurecimento por Precipitação, Endurecimento por Envelhecimento ou Endurecimento por Precipitação de Solução, é um processo térmico que tem como objetivo acelerar o processo de envelhecimento natural sob parâmetros controlados, visando-se alterar as propriedades mecânicas e microestruturais das ligas metálicas, como: dureza, resistência mecânica, resistência à corrosão, resistência à tração, estabilidade dimensional, entre outras.

Sendo assim, o processo de envelhecimento térmico geralmente envolve as seguintes etapas principais:

Solubilização

Objetivo: dissolver completamente as fases precipitadas ou solutos¹ em uma matriz metálica.

Procedimento: o material é aquecido a uma temperatura elevada, chamada de temperatura de solubilização, o que permite que as partículas dispersas (como átomos e moléculas) se dissolvam na matriz metálica.

Muitos materiais já são fornecidos solubilizados pelos fabricantes. Sendo assim, podem ser envelhecidos diretamente.

Resfriamento rápido

Objetivo: evitar a reprecipitação de solutos durante o resfriamento.

Procedimento: após a solubilização, o material, resfriado rapidamente, impede que os solutos se reagrupem e formem fases indesejadas.

Envelhecimento

Objetivo: permitir a formação controlada de novas fases na matriz metálica.

Procedimento: o material é reaquecido a uma temperatura mais baixa que a da solubilização e mantido por um período prolongado. Durante este tempo, ocorre a reprecipitação dos solutos na forma de partículas finas, que aumentam, por exemplo, a resistência e a dureza do material.

O sucesso do tratamento térmico de envelhecimento depende da escolha adequada das temperaturas de solubilização e envelhecimento, bem como, do tempo de exposição a essas temperaturas. Por isso, o conhecimento detalhado das propriedades da liga metálica em questão é crucial para otimizar o processo e obter as propriedades desejadas no material final.

(¹) O termo “soluto” refere-se a uma substância que é dissolvida em outra substância, chamada de “solvente”, formando uma solução. Em química, as soluções são misturas homogêneas de duas ou mais substâncias, e o soluto é a substância que está presente em menor quantidade na solução, sendo dissolvida no solvente. Exemplos comuns de solutos incluem: Sal (NaCl): dissolvido em água, formando uma solução salina. Açúcar (sacarose): dissolvido em água para fazer uma solução açucarada. Gás Carbônico (CO2): dissolvido em água, formando a conhecida água com gás.

Materiais envelhecíveis por precipitação

Decerto, aqui estão alguns exemplos de ligas metálicas endurecíveis por precipitação:

  • Aços Inoxidáveis Precipitáveis (PH):

Exemplos incluem o 17-4 PH e o 15-5 PH. Essas ligas da matriz metálica inoxidável contêm elementos como cromo, níquel, cobre e alumínio, que permitem a formação de precipitados durante o envelhecimento, resultando em um aumento de dureza e resistência.

  • Ligas de Alumínio:

Isto é, algumas ligas, como a 2024 e a 7075, podem ser endurecidas por precipitação. O cobre é frequentemente adicionado como um elemento de liga para promover a formação de precipitados durante o tratamento térmico.

  • Ligas de Titânio:

Ligas como a Ti-6Al-4V podem ser submetidas ao tratamento térmico de envelhecimento para melhorar suas propriedades mecânicas. Nesse caso, realiza-se o tratamento frequentemente chamado de envelhecimento duplex.

  • Superligas de Níquel:

Algumas superligas de níquel, como a Inconel 718, podem ser endurecidas por precipitação. O tratamento térmico é projetado para promover a formação de precipitados, aumentando assim a resistência da liga.

  • Cobre-Berílio:

Ligas de cobre-berílio, como a CuBe2 (CB101) e CuBe2Pb, podem ser endurecidas por precipitação. Dessa maneira, o tratamento térmico promove a formação de precipitados de fase β no cobre, melhorando a resistência e a dureza.

Aplicações

O processo térmico de envelhecimento é amplamente utilizado em diversas indústrias devido as melhorias que proporciona nas propriedades mecânicas e microestruturais dos materiais. Então, aqui estão algumas das principais aplicações desse processo:

  • Indústria Aeroespacial

Por isso, componentes de aeronaves, como asas, fuselagem e peças estruturais, frequentemente passam por tratamento térmico de envelhecimento para melhorar sua resistência e durabilidade.

  • Indústria Automotiva

Peças críticas, como engrenagens, ou seja, pistões, rodas e outros componentes estruturais, podem ser submetidas ao envelhecimento térmico para aumentar sua resistência ao desgaste e à fadiga.

  • Indústria Metalúrgica

Ligas metálicas utilizadas na produção de equipamentos industriais, tubulações e estruturas, também se beneficiam do envelhecimento térmico para melhorar suas propriedades mecânicas.

  • Indústria de Petróleo e Gás

Componentes utilizados em ambientes corrosivos, como flanges, conexões, estruturas e tubulações, além de equipamentos submarinos. Assim, podem passar por tratamento térmico para resistir a condições adversas.

  • Indústria de Maquinaria Pesada:

Equipamentos de construção, máquinas agrícolas e outros dispositivos de maquinaria pesada frequentemente empregam o envelhecimento térmico para melhorar a resistência e a vida útil.

  • Indústria Nuclear:

Componentes em instalações nucleares que requerem alta resistência e estabilidade estrutural, podem passar por processos de envelhecimento térmico para melhorar suas propriedades.

Temperaturas

As temperaturas empregadas no processo térmico de envelhecimento variam significativamente de acordo com o tipo de material e a liga específica que está sendo tratada. Afinal, cada material tem suas próprias faixas de temperatura, ideais para otimizar as propriedades desejadas. Portanto, abaixo estão algumas faixas de temperatura típicas para o processo de envelhecimento térmico em alguns tipos de ligas metálicas:

  • Ligas de Alumínio:

Solubilização: geralmente ocorre entre 450°C e 550°C;

Envelhecimento: pode variar entre 120°C e 250°C.

  • Ligas de Titânio:

Solubilização: geralmente acima de 800°C;

Envelhecimento: pode variar entre 450°C e 650°C.

  • Aços Inoxidáveis Precipitáveis (PH):

Solubilização: entre 950°C e 1050°C;

Envelhecimento: pode variar entre 480°C e 620°C.

  • Superligas de Níquel:

Solubilização: geralmente entre 1100°C e 1200°C;

Envelhecimento: pode variar entre 650°C e 850°C.

  • Ligas de Cobre-Berílio:

Solubilização: cerca de 800°C a 950°C;

Envelhecimento: pode variar entre 315°C e 480°C.

  • Ligas de Magnésio:

Solubilização: geralmente entre 400°C e 550°C;

Envelhecimento: pode variar entre 120°C e 300°C.

Vantagens da utilização de forno a vácuo no processo de envelhecimento

A ISOFLAMA pode realizar o envelhecimento em fornos com bomba de vácuo, sendo este processo aplicado nos mais diversos setores industriais, como: aeroespacial, automotivo e de fabricação de equipamentos industriais, onde a qualidade e a precisão nas propriedades dos materiais são críticas.

Da mesma forma, este processo pode oferecer vantagens em comparação aos realizados em atmosfera normal, tais como:

Minimização de oxidação

Em um ambiente a vácuo, a quantidade de oxigênio torna-se significativamente reduzida. Isso minimiza a oxidação do material durante o processo térmico, especialmente em ligas que são sensíveis à formação de óxidos.

Isenção de descarbonetação

A atmosfera de vácuo também evita a descarbonetação, preservando a composição química da superfície do material. Em resumo, isso é particularmente importante em ligas de aço na matriz metálica e outros materiais que podem ser suscetíveis à descarbonetação em atmosferas convencionais.

Propriedades mecânicas uniformes

O vácuo facilita a difusão de elementos na matriz metálica. Isso pode resultar em uma distribuição mais homogênea de solutos, contribuindo para propriedades mecânicas mais uniformes.

Controle Preciso de Atmosfera

Os fornos a vácuo permitem um controle preciso da atmosfera durante o tratamento térmico. Sendo assim, crucial para garantir que as condições otimizem o processo de envelhecimento desejado.

Evita Contaminação Gasosa

A atmosfera a vácuo evita a contaminação do material por gases presentes no ar, contribuindo para a pureza e a integridade do material tratado.

Controle da taxa de resfriamento

Devido ao seu sistema de gerenciamento e características construtivas, o forno a vácuo permite um melhor controle da taxa de resfriamento, permitindo assim, um melhor controle das transformações microestruturais, proporcionando propriedades mecânicas mais homogêneas no material processado.

Processamento de Materiais Sensíveis ao Oxigênio

Materiais sensíveis ao oxigênio, como certas ligas de titânio e superligas de níquel, podem ser processados em um ambiente a vácuo sem a preocupação com a contaminação por oxigênio.

Controle Térmico Preciso

Fornos a vácuo oferecem controle térmico preciso, permitindo a criação de perfis de temperatura específicos para atender aos requisitos do processo de envelhecimento.

Em conclusão, essas vantagens tornam os fornos a vácuo uma escolha valiosa em aplicações onde é crucial evitar reações indesejadas com o oxigênio, manter a composição do material e garantir um controle preciso do tratamento térmico. Por isso, é especialmente relevante em setores como aeroespacial, indústria automotiva e fabricação de dispositivos eletrônicos de alta precisão.