Sebenta · Aplicar materiais e tratamentos a componentes em projeto mecânico (UC02886)

Introdução

Um desenho de projeto mecânico só está completo quando diz, além da forma e das cotas, de que material cada componente é feito e que tratamento recebeu. Numa cavidade de molde, numa coluna-guia ou num veio, a escolha errada do aço ou do tratamento térmico custa caro: gripagens, fissuras, desgaste prematuro ou peças que empenam ao fim de poucos ciclos. Esta sebenta ensina a selecionar materiais e a selecionar tratamentos a aplicar a componentes para a função pretendida, e a analisar resultados de ensaios mecânicos, as três realizações centrais desta unidade curricular.

O percurso segue a lógica de um gabinete de projeto mecânico e de moldes: primeiro os materiais metálicos e as suas propriedades, depois as ligas ferrocarbónicas e a norma que as identifica, depois os ensaios que comprovam essas propriedades, os materiais não metálicos, as propriedades tecnológicas de desgaste e corrosão, os tratamentos térmicos e de superfície, e por fim a seleção de materiais e tratamentos em casos concretos de projeto, terminando na segurança no trabalho com fornos e banhos de tratamento.

Objetivos de aprendizagem (referencial): relacionar a composição química das ligas metálicas com as suas características físicas e mecânicas; relacionar a resistência mecânica dos materiais com as suas propriedades mecânicas; seguir a norma na identificação dos materiais; adequar os diferentes materiais aos componentes mecânicos; e aplicar as normas de segurança e saúde no trabalho.

1. Materiais metálicos: propriedades físicas e mecânicas

Escolher um material para um componente é escolher um conjunto de propriedades. Dividem-se em dois grandes grupos.

Propriedades físicas, ligadas à natureza do material e independentes de qualquer esforço aplicado:

• Densidade: massa por unidade de volume (kg/m³ ou g/cm³). O aço ronda os 7,85 g/cm³; o alumínio, cerca de 2,70 g/cm³.
• Condutividade térmica: capacidade de conduzir calor. Determinante em componentes de molde que têm de arrefecer rapidamente a peça injetada.
• Condutividade elétrica: relevante em componentes que conduzem corrente ou que precisam de isolamento.
• Ponto de fusão e dilatação térmica: um componente sujeito a variações de temperatura tem de manter a cota dentro da tolerância.

Propriedades mecânicas, medidas por ensaio, sob a ação de uma força:

• Resistência mecânica: carga máxima que o material suporta antes de romper.
• Dureza: resistência à penetração e ao risco de outro corpo.
• Elasticidade: capacidade de recuperar a forma original depois de removida a carga, dentro de um limite.
• Plasticidade e ductilidade: capacidade de se deformar permanentemente sem fraturar.
• Tenacidade: energia que o material absorve antes de fraturar, mesmo que já esteja deformado.
• Fadiga: resistência a cargas repetidas, muito abaixo da carga de rotura estática.

Metais ferrosos (à base de ferro: aços, ferros fundidos) dominam o projeto mecânico e os moldes pela combinação de resistência, custo e facilidade de tratamento. Metais não ferrosos (alumínio, cobre, zinco e as suas ligas) entram quando se precisa de leveza, condutividade térmica elevada ou resistência à corrosão sem tratamento adicional.

2. Ligas ferrocarbónicas: aços e ferros fundidos

As ligas ferrocarbónicas são ligas de ferro e carbono, a base da esmagadora maioria dos componentes mecânicos e de moldes. O que separa um aço de um ferro fundido é, essencialmente, o teor de carbono:

Dentro dos aços, o teor de carbono continua a distinguir famílias:

• Baixo carbono (até cerca de 0,25% C): dúctil, fácil de soldar e conformar, dureza baixa. Usado em placas e componentes estruturais não sujeitos a desgaste.
• Médio carbono (cerca de 0,25% a 0,6% C): bom equilíbrio entre resistência e tenacidade, responde bem a têmpera e revenido. Usado em veios e componentes de resistência média.
• Alto carbono (acima de 0,6% C): dureza elevada depois de temperado, menor tenacidade. Usado em ferramentas de corte e componentes de elevada resistência ao desgaste.

Os ferros fundidos distinguem-se pela forma do carbono livre (grafite) na estrutura:

• Ferro fundido cinzento: grafite em lamelas, boa maquinabilidade e amortecimento de vibrações, frágil à tração.
• Ferro fundido nodular (dúctil): grafite em nódulos esféricos, muito mais tenaz e resistente à tração que o cinzento, usado em componentes que já não podem ser só ferro fundido comum mas não justificam aço.
• Ferro fundido branco: carbono na forma de cementite, extremamente duro e frágil, usado onde o desgaste abrasivo é o problema dominante.

Um aço-liga é um aço ao qual se adicionam deliberadamente outros elementos químicos (crómio, níquel, molibdénio, vanádio, entre outros) para melhorar propriedades específicas, tema do capítulo 4.

3. A chave dos aços: normalização EN 10027

Sem uma norma, cada fabricante chamaria o mesmo aço por um nome diferente. A norma europeia EN 10027 resolve isto com dois sistemas complementares de identificação, ambos em uso corrente na indústria de moldes.

O número de chave (Werkstoffnummer)

Cada aço normalizado tem um número de chave, no formato 1.XXXX (o "1." identifica sempre um aço). É um código curto e inequívoco, usado em certificados de material e catálogos de fornecedor: por exemplo, 1.2344 identifica sempre o mesmo aço, em qualquer país que use a norma europeia.

A designação simbólica (composição química)

O segundo sistema traduz a composição química diretamente no nome:

• Aços de baixa liga (teor total de elementos de liga abaixo de 5%): começam pelo teor médio de carbono × 100, seguido dos símbolos químicos dos elementos de liga por ordem decrescente de teor, seguidos de números que traduzem o teor desses elementos multiplicado por um fator tabelado na norma (por exemplo, o crómio e o manganês usam fator 4). Exemplo: 42CrMo4 tem cerca de 0,42% de carbono e cerca de 1% de crómio (4 dividido pelo fator 4).
• Aços de alta liga (teor total igual ou superior a 5%): começam pela letra X, seguida do teor médio de carbono × 100, dos símbolos dos elementos de liga e dos seus teores reais aproximados, sem fator multiplicador. Exemplo: X40CrMoV5-1 tem cerca de 0,40% de carbono, crómio à volta de 5% e vanádio à volta de 1%, com molibdénio presente num teor menor.

Nota de equivalência. É frequente cruzar-se a designação europeia com a norma americana AISI/SAE em catálogos internacionais (por exemplo, 1.2344 e AISI H13 designam aços muito semelhantes). Estas equivalências são aproximadas, não uma igualdade de norma para norma: composições, tolerâncias e requisitos de ensaio diferem em detalhe. Confirma sempre pela ficha técnica do fabricante, nunca só pelo nome comercial.

4. Influência dos elementos de liga

Cada elemento de liga adicionado a um aço muda propriedades específicas, e é essa lógica que permite escolher (ou ler) um aço pela sua designação:

Um aço de trabalho a quente como o 1.2344 (X40CrMoV5-1) junta crómio (temperabilidade e desgaste), molibdénio (resistência a quente, sem fragilizar no revenido) e vanádio (grão fino, dureza a quente): não é uma combinação aleatória, é a resposta direta à exigência de trabalhar sob calor repetido sem perder dureza nem fissurar.

5. Ensaios mecânicos de tração, flexão e torção

Os ensaios mecânicos medem propriedades reais em laboratório, para confirmar (ou contestar) o que a designação do aço promete.

Ensaio de tração

Um provete normalizado, com secção inicial A₀, é traccionado até romper. Regista-se a força F aplicada e o alongamento correspondente. Dessas medições calculam-se duas grandezas fundamentais:

• Tensão (σ): σ = F / A₀, em N/mm² (MPa).
• Deformação (ε): ε = ΔL / L₀, adimensional (ou em %), onde L₀ é o comprimento de referência do provete e ΔL o alongamento medido.

Na zona elástica do ensaio, tensão e deformação são proporcionais (lei de Hooke): σ = E · ε, onde E é o módulo de elasticidade (módulo de Young), em GPa. Para o aço, E ronda os 210 GPa, praticamente igual em todos os aços, independentemente do teor de liga ou do tratamento térmico; o que muda com a liga e o tratamento é a resistência, não a rigidez elástica.

Do ensaio de tração retiram-se ainda:

• Tensão limite elástico (Re ou Rp0,2): a partir daqui a deformação deixa de ser recuperável.
• Tensão de rotura (Rm): a tensão máxima suportada antes de romper.
• Alongamento após rotura (A%): mede a ductilidade.

Ensaio de flexão

Aplica-se uma carga transversal a um provete apoiado nas extremidades, medindo a flecha (deformação) até à rotura ou até um limite definido. É o ensaio preferido para materiais frágeis (ferros fundidos, cerâmicos) que são difíceis de fixar num ensaio de tração sem partir nas amarras, e dá a tensão de rotura à flexão.

Ensaio de torção

Aplica-se um momento torsor às extremidades de um provete cilíndrico, medindo o ângulo de torção. Dá o módulo de elasticidade transversal (G) e a tensão de cedência ao corte, propriedades relevantes em veios e componentes sujeitos a rotação e a esforços de torção.

6. Ensaios mecânicos de dureza

A dureza mede a resistência de um material à penetração de outro corpo, e é o ensaio mais usado no dia a dia de um gabinete de moldes, porque é rápido, quase não danifica a peça e é a forma habitual de confirmar se um tratamento térmico atingiu o valor pretendido.

Três regras que evitam erros de leitura e de relatório:

• Cada escala tem uma gama de validade. Abaixo de cerca de 20 HRC, o ensaio Rockwell C deixa de ser fiável; um aço macio como o C45 recozido mede-se em HB, nunca em HRC fora dessa gama.
• Camadas finas exigem Vickers. Numa camada nitrurada, com poucas décimas de milímetro de espessura, um penetrador de Rockwell (que aplica cargas elevadas e penetra mais fundo) pode atravessar a camada e medir o núcleo por baixo, dando um valor falsamente baixo. Usa-se HV com cargas pequenas (microdureza), que penetra pouco e mede só a camada.
• Um valor de dureza pertence sempre a um material e a um estado concreto. Não faz sentido comparar a dureza de um aço pré-temperado a 30 HRC com a de um aço temperado e revenido a 50 HRC sem dizer que são estados de tratamento diferentes: a diferença não é o aço "ser melhor", é o estado em que está.

7. Materiais não metálicos, poliméricos e compósitos

Nem todos os componentes de um conjunto mecânico são metálicos. Materiais poliméricos e compósitos entram quando a função pede leveza, isolamento ou baixo atrito, e não resistência ao desgaste abrasivo extremo:

• Termoplásticos (poliamida PA, poliacetal POM, policarbonato PC): fundem e voltam a solidificar sem alterar a estrutura química, podem ser reprocessados. O POM e a PA são usados em buchas de baixo atrito e componentes de guiamento leves.
• Termoendurecíveis (resinas epóxi, poliéster): curam de forma irreversível por reação química; usados em isolamento elétrico e em compósitos.
• Elastómeros (borracha, silicone): grande deformação elástica reversível, usados em vedantes e amortecedores.
• Compósitos (fibra de vidro ou de carbono numa matriz de resina, GFRP e CFRP): combinam a rigidez e a resistência da fibra com a leveza e a moldabilidade da matriz. Boa relação resistência/peso, mas comportamento mecânico anisótropo (as propriedades dependem da direção da fibra).

Comparados com os aços, os materiais não metálicos têm resistência mecânica e dureza muito inferiores, mas ganham em peso, em isolamento elétrico e térmico, e em resistência química a certos ambientes. A escolha entre um componente metálico e um não metálico é sempre uma troca entre estas propriedades e a função exigida.

8. Propriedades tecnológicas: desgaste e corrosão

Além das propriedades mecânicas "de catálogo", há propriedades tecnológicas que só se manifestam em serviço, ao longo do tempo:

• Resistência ao desgaste: capacidade de resistir à perda progressiva de material por atrito, deslizamento ou impacto repetido de partículas. Depende sobretudo da dureza superficial, o que liga este tema diretamente aos tratamentos do capítulo 9 e 10.
• Resistência à corrosão: capacidade de resistir ao ataque químico ou eletroquímico do ambiente. Um aço ao carbono comum oxida-se (enferruja) em contacto com humidade; um aço com teor de crómio igual ou superior a cerca de 12% forma uma camada de óxido de crómio passivante e estável, que o protege (é a base dos aços inoxidáveis, como o 1.2316).

No contexto de moldes de injeção, alguns plásticos libertam substâncias corrosivas durante a transformação (por exemplo, o PVC liberta ácido clorídrico a quente). A cavidade e o macho que moldam esse plástico têm de resistir a essa corrosão, o que empurra a escolha para um aço inoxidável de molde ou para um revestimento protetor, mesmo que a resistência mecânica pura não o exigisse.

9. Tratamentos térmicos

Os tratamentos térmicos alteram as propriedades do material através de ciclos controlados de aquecimento e arrefecimento, sem mudar a composição química global (ao contrário da cementação e da nitruração, que introduzem elementos novos à superfície):

A cementação e a nitruração não são a mesma coisa. A cementação difunde carbono e exige têmpera posterior para endurecer, com camadas mais espessas e mais distorção. A nitruração difunde azoto, não precisa de têmpera posterior (o próprio ciclo de nitruração já endurece a superfície), produz camadas mais finas, muito duras, e distorce muito menos, por isso é preferida em componentes já retificados à cota final, como colunas-guia e buchas de guiamento.

10. Tratamentos de superfície e revestimentos

Distintos dos tratamentos térmicos, os tratamentos de superfície e revestimentos aplicam-se depois do tratamento térmico final (têmpera e revenido), a temperaturas muito mais baixas, e não alteram as propriedades do núcleo:

• Cromagem dura: eletrodeposição de crómio na superfície, com espessura de alguns micrómetros a algumas dezenas de micrómetros. Aumenta a resistência ao desgaste e à corrosão, com dureza aparente elevada (na ordem das 800 a 1000 HV), mas é uma camada fina que pode lascar se sujeita a impacto.
• PVD (deposição física em fase vapor): aplicada a baixa temperatura (tipicamente 150 a 500 °C), pelo que preserva a dureza do núcleo conseguida no tratamento térmico anterior. Produz camadas muito finas, de poucos micrómetros:
• TiN (nitreto de titânio): cor dourada, dureza muito elevada (cerca de 2000 a 2500 HV), baixo coeficiente de atrito.
• CrN (nitreto de crómio): cor acinzentada, boa resistência à corrosão e ao desgaste adesivo, dureza na ordem das 1750 a 2200 HV.
• DLC (carbono tipo diamante): coeficiente de atrito muito baixo, dureza elevada, usado sobretudo em zonas de deslizamento.

Estes revestimentos aumentam a resistência ao desgaste e, nalguns casos, à corrosão, sem exigir um novo ciclo de têmpera (que poderia distorcer uma peça já retificada e ajustada) e sem alterar praticamente a cota da peça, dada a espessura micrométrica da camada.

A regra que distingue as duas famílias: um tratamento térmico (têmpera, revenido, recozimento, alívio de tensões, cementação, nitruração) muda a estrutura do metal, do núcleo ou de uma camada superficial de dimensão apreciável, por ação do calor. Um tratamento de superfície ou revestimento (cromagem, PVD, TiN, CrN, DLC) acrescenta uma camada nova e muito fina sobre a superfície já tratada termicamente, sem mexer no núcleo.

11. Selecionar materiais e tratamentos em projeto mecânico

Selecionar o material e o tratamento certos para um componente cruza tudo o que foi visto: função do componente, solicitações a que fica sujeito, propriedades exigidas e custo.

Aplicado a um molde de injeção típico:

O raciocínio segue sempre a mesma ordem: primeiro identifica-se a função e a solicitação real do componente, depois adequam-se as propriedades do material a essa função (é o critério de desempenho da UC), e só depois se escolhe o tratamento que entrega essas propriedades com o menor custo e a menor distorção dimensional possíveis.

12. Segurança e saúde no trabalho em tratamentos

Fornos de tratamento térmico e banhos de têmpera são equipamentos de risco elevado. As normas de segurança e saúde no trabalho aplicam-se sempre, incluindo na limpeza e na manutenção:

• Fornos: temperaturas de várias centenas de graus Celsius. Usar luvas de proteção térmica, avental e viseira; nunca tocar em peças, cadinhos ou portas do forno sem confirmar que arrefeceram; garantir ventilação e extração de fumos e gases da atmosfera do forno.
• Banhos de têmpera em óleo: risco de incêndio e de projeção de óleo quente. Manter extintores de classe adequada a fogos de óleo (nunca usar água num fogo de óleo, que espalha as chamas); mergulhar a peça de forma controlada, nunca de rompante, para reduzir salpicos.
• Banhos de têmpera em água: risco de projeção de vapor e de salpicos; usar sempre proteção facial.
• Banhos de sais fundidos (usados nalguns processos de nitruração e de têmpera): podem conter substâncias muito tóxicas; exigem extração local obrigatória, EPI específico e formação prévia. Nunca operar sem essa formação.
• Atmosferas controladas (cementação gasosa): podem conter monóxido de carbono; garantir deteção de gases e ventilação adequada da zona.
• Limpeza e manutenção: nunca misturar produtos químicos de limpeza sem confirmar compatibilidade; manter sempre o EPI apropriado (luvas, proteção respiratória, proteção ocular), mesmo em tarefas de rotina; sinalizar e isolar equipamentos em manutenção antes de intervir.

Erros comuns

• Confundir aço com ferro fundido só pela cor ou pelo peso. A distinção correta é o teor de carbono e a forma da grafite, confirmados pela ficha do material, não pelo aspeto.
• Trocar cementação por nitruração como se fossem a mesma coisa. Uma difunde carbono e exige têmpera posterior; a outra difunde azoto e não exige.
• Escrever dureza em HRC fora da gama válida, por exemplo um aço macio recozido ou uma camada nitrurada fina. Usa HB ou HV consoante o caso.
• Inventar uma equivalência exata entre normas (por exemplo, entre a designação europeia e a AISI) sem assinalar que é aproximada.
• Confundir um tratamento térmico com um revestimento de superfície. A têmpera muda a estrutura do metal por calor; o TiN ou o CrN acrescentam uma camada fina sobre a superfície já tratada.
• Ignorar o efeito da têmpera nas dimensões e só descobrir a distorção depois de retificar a peça à cota final.
• Escolher o aço mais duro disponível sem considerar a tenacidade, o custo e a maquinabilidade, esquecendo que dureza a mais pode significar fragilidade a mais.

Glossário

• Liga ferrocarbónica: liga de ferro e carbono, base dos aços e dos ferros fundidos.
• Chave de aços (Werkstoffnummer): número normalizado no formato 1.XXXX que identifica um aço de forma inequívoca, segundo a EN 10027.
• Designação simbólica: nome de um aço construído a partir da sua composição química, segundo a EN 10027.
• Tensão (σ): força aplicada dividida pela área da secção, em N/mm² (MPa).
• Deformação (ε): alongamento relativo, ΔL / L₀.
• Módulo de elasticidade (E): constante de proporcionalidade entre tensão e deformação na zona elástica, em GPa.
• Dureza: resistência de um material à penetração de outro corpo.
• HB, HRC, HV: escalas de dureza Brinell, Rockwell C e Vickers, cada uma com a sua gama de validade.
• Têmpera: tratamento térmico que aumenta muito a dureza por arrefecimento rápido a partir de temperatura elevada.
• Revenido: tratamento térmico posterior à têmpera, que reduz a fragilidade e ajusta a dureza final.
• Recozimento: tratamento térmico que amolece o material e remove tensões internas.
• Cementação: difusão de carbono na superfície, com têmpera posterior, para endurecer.
• Nitruração: difusão de azoto na superfície, sem têmpera posterior, para endurecer com pouca distorção.
• PVD: deposição física em fase vapor, usada em revestimentos finos como TiN, CrN ou DLC.
• Compósito: material formado por uma fibra de reforço numa matriz, com propriedades combinadas das duas.

Síntese

Um componente mecânico começa por uma escolha: que liga (ferrosa ou não ferrosa, aço ou ferro fundido) tem as propriedades certas para a função, identificada sem ambiguidade pela chave de aços da EN 10027. Os ensaios de tração, flexão, torção e dureza confirmam essas propriedades com números, dentro da gama de validade de cada escala. Quando a liga base não chega, um tratamento térmico (têmpera, revenido, recozimento, alívio de tensões, cementação, nitruração) muda a estrutura do material, e um tratamento de superfície ou revestimento (cromagem, PVD, TiN, CrN, DLC) acrescenta uma camada fina de proteção sem mexer no núcleo. Selecionar bem é cruzar a função do componente com estas propriedades, sempre com rigor, respeito pelas normas e segurança no trabalho com fornos e banhos de tratamento.

Exercícios resolvidos

1. Um técnico afirma que um aço com 3% de carbono é "um aço muito duro". Corrige a afirmação.

Resolução: está errado na classificação. Uma liga ferrocarbónica com cerca de 3% de carbono está acima do limite de cerca de 2,1% que separa aço de ferro fundido; não é um aço, é um ferro fundido. É preciso primeiro classificar corretamente a liga antes de discutir a sua dureza.

2. Lê-se numa ficha técnica "1.2344, X40CrMoV5-1". O que significa cada parte desta designação?

Resolução: 1.2344 é o número de chave (Werkstoffnummer) que identifica o aço de forma inequívoca. X40CrMoV5-1 é a designação simbólica: o X indica alta liga (teor total de elementos de liga igual ou superior a 5%); 40 indica cerca de 0,40% de carbono; CrMoV são os elementos de liga (crómio, molibdénio, vanádio); 5 indica crómio à volta de 5%; 1 indica vanádio à volta de 1%.

3. Um provete de aço, secção A₀ = 78,5 mm², é traccionado na zona elástica com F = 16 500 N, com L₀ = 100 mm e ΔL = 0,1 mm medidos. Calcula a tensão, a deformação e o módulo de elasticidade.

Resolução: σ = F / A₀ = 16500 / 78,5 ≈ 210 MPa. ε = ΔL / L₀ = 0,1 / 100 = 0,001. E = σ / ε = 210 / 0,001 = 210 000 MPa = 210 GPa, o valor típico do aço, o que confirma que o ensaio está coerente com o material.

4. Porque é errado medir a dureza de uma camada nitrurada de 0,2 mm em HRC?

Resolução: a escala Rockwell C usa um penetrador de diamante com uma carga elevada (150 kgf), que penetra mais fundo do que a espessura da camada nitrurada. O ensaio acaba por medir (ou ser influenciado pelo) núcleo por baixo da camada, dando um valor incorreto. Deve usar-se a escala Vickers (HV) com carga baixa, que penetra pouco e mede só a camada superficial.

5. Precisas de tratar duas colunas-guia já retificadas à cota final, que não podem distorcer. Escolhes cementação ou nitruração? Justifica.

Resolução: nitruração. A cementação exige têmpera posterior, que introduz tensões e distorção, obrigando a retificar de novo. A nitruração não exige têmpera posterior e distorce muito menos, permitindo tratar a peça já na cota final.

6. Uma cavidade de molde vai produzir uma peça em PVC. Que problema, além do desgaste normal, tens de considerar na escolha do material, e que solução escolherias?

Resolução: o PVC liberta ácido clorídrico a alta temperatura durante a transformação, um ambiente corrosivo para o aço da cavidade. A par da resistência ao desgaste, é preciso resistência à corrosão: escolhe-se um aço inoxidável de molde (por exemplo, o 1.2316), ou aplica-se um revestimento protetor (PVD ou cromagem) sobre o aço base.

7. Um relatório de fornecedor indica dois aços candidatos para uma cavidade de série longa: aço A, pré-temperado a 30 HRC, e aço B, temperado e revenido a 50 HRC. A peça a produzir é em plástico com carga de fibra de vidro, muito abrasiva, com 500 000 ciclos previstos. Qual escolherias e porquê?

Resolução: o aço B, a 50 HRC. A carga de fibra de vidro é altamente abrasiva e o número de ciclos é elevado: a maior dureza superficial do aço B dá uma resistência ao desgaste muito superior à do aço A, que se desgastaria muito mais depressa a 30 HRC, apesar do custo e da maquinabilidade menos favoráveis.

8. Antes de abrir a porta de um forno de têmpera que acabou de desligar, que cuidados de segurança tomas?

Resolução: confirmar que o forno arrefeceu o suficiente antes de tocar em qualquer superfície; usar sempre luvas de proteção térmica, avental e viseira; garantir ventilação e extração de fumos da zona; e nunca operar o forno ou o banho de têmpera associado sem conhecer o procedimento de emergência específico do equipamento.