Sebenta · Tratamentos e estados de acabamento de superfície em desenho técnico (UC02888)

Introdução

No projeto de um molde ou de qualquer componente mecânico, desenhar a forma geométrica é só metade do trabalho. A outra metade é dizer, peça a peça e superfície a superfície, que estado de acabamento, que dureza e que tratamento cada zona precisa para cumprir a sua função: uma cavidade que vai receber milhares de ciclos de injeção pede dureza superficial elevada; uma cavilha guia exposta à humidade de uma fábrica pede proteção contra corrosão; uma peça visível ao cliente final pede um acabamento estético controlado. Esta sebenta ensina a definir as especificações técnicas e os requisitos dos componentes a projetar e a representar em desenho técnico os tratamentos térmicos, os tratamentos de superfície e os estados de acabamento de superfície, que são as três realizações centrais desta unidade curricular.

O percurso vai da simbologia normalizada do estado de acabamento superficial, à medição de rugosidade e de dureza, à análise dos processos de corrosão e de desgaste que justificam cada escolha, até aos quatro grandes grupos de tratamento que esta UC cobre: os tratamentos térmicos (têmpera, revenido, homogeneização), os tratamentos termoquímicos (cementação, nitruração), outros tratamentos de endurecimento e proteção superficial (cromagem dura, níquel químico) e os revestimentos de acabamento e proteção (pintura, metalização, lacagem, oxidação, anodização, titânio/alumínio), terminando na limpeza de superfícies e na segurança no trabalho.

Objetivos de aprendizagem (referencial): definir as especificações técnicas e os requisitos dos componentes a projetar; representar em desenho técnico os tratamentos térmicos e os tratamentos de superfície; representar em desenho técnico os estados de acabamento de superfície; medir rugosidades; calcular e converter durezas; adequar os processos de corrosão e de desgaste; e aplicar as normas de segurança e saúde no trabalho.

1. Especificações técnicas e requisitos dos componentes a projetar

Antes de escolher um símbolo ou um tratamento, o desenhador tem de definir as especificações técnicas e os requisitos de cada componente: para que serve a peça, que esforços recebe, em que ambiente trabalha e que aspeto tem de ter. É esta análise que decide todo o resto do desenho de acabamento.

Uma tabela de decisão simples ajuda a não avançar às cegas:

Os componentes de um projeto de molde combinam normalmente vários aços com finalidades diferentes: aços pré-temperados (fornecidos já com uma dureza de base, tipicamente 28 a 34 HRC, como os das famílias 1.2311/1.2738), que não levam têmpera adicional e só recebem tratamentos de superfície quando necessário; e aços para têmpera (famílias 1.2343/1.2344, de trabalho a quente), usados em cavidades e machos que exigem dureza elevada depois de temperados e revenidos. Esta escolha de material é ela própria parte da especificação técnica.

2. Simbologia do estado de acabamento de superfície

A indicação do estado de acabamento superficial num desenho técnico segue hoje a norma ISO 21920 (particularmente a ISO 21920-1), que substituiu a antiga ISO 1302 mantendo os mesmos símbolos gráficos base. Um desenho usa sempre uma única norma de referência, indicada na legenda, e nunca mistura as duas.

O símbolo base é um visto (dois traços de comprimento desigual), com três variantes que nunca se trocam entre si:

À volta do símbolo, em posições fixas, indica-se a informação completa:

• Posição a: o valor do parâmetro de rugosidade e o seu limite (por exemplo "Ra 0,4").
• Posição b: o processo de fabrico ou o tratamento exigido (por exemplo "Nitrurar" ou "Cromar").
• Posição c: o comprimento de amostragem, quando difere do padrão da norma.
• Posição d: o símbolo de direção da estria de maquinação.
• Posição e: a sobre-espessura de maquinação a deixar para uma operação seguinte.

⚠️ Verificar sempre símbolo a símbolo no desenho final. Trocar um visto com barra por um com círculo, ou vice-versa, muda o significado técnico da chamada e pode levar a maquinar uma superfície que devia ficar intocada, ou a deixar por maquinar uma que precisa mesmo de acabamento.

3. Rugosidade: medição, atribuição e qualidades de fabrico

A rugosidade mede as irregularidades microscópicas da superfície. Os dois parâmetros usados nesta unidade são distintos entre si e não convertíveis um no outro por um fator fixo:

• Ra (rugosidade média aritmética): a média dos desvios absolutos do perfil em relação à linha média, ao longo do comprimento de avaliação.
• Rz (altura máxima do perfil): a diferença entre o pico mais alto e o vale mais fundo do perfil, dentro do comprimento de amostragem da norma em vigor.

⚠️ Não existe um fator universal de conversão entre Ra e Rz. A relação depende da forma do perfil e do processo de fabrico. Cada superfície é medida e especificada com o parâmetro que o critério funcional exige, nunca por conversão de um no outro.

A medição faz-se com o rugosímetro, um apalpador que percorre a superfície e devolve o valor de Ra (ou Rz) medido, comparável diretamente com o valor indicado no símbolo do desenho.

Qualidades de fabrico: as classes N

Antes de o valor de Ra passar a escrever-se diretamente no símbolo, a norma agrupava a rugosidade em classes de qualidade N1 a N12, cada uma associada a um valor de Ra de referência. As classes ainda se usam como linguagem corrente de oficina para falar de "qualidade de acabamento" sem citar o número exato:

Cada classe corresponde ao dobro (aproximadamente) da anterior: é uma progressão geométrica, não linear, e serve para atribuir rapidamente uma qualidade de fabrico a uma superfície em função da sua função (uma superfície de ajuste apertado pede N5 ou melhor; uma face de fixação sem contacto funcional pode ficar em N9 ou N10).

Rugosidade teórica e geometria da ferramenta

A rugosidade obtida por torneamento depende também da geometria da ferramenta, em particular do raio de ponta e do avanço. A altura teórica de crista deixada pelas marcas de avanço é dada por:

$$R_{max} = \frac{f^2}{8 \times r}$$

onde f é o avanço em mm/rotação e r é o raio de ponta da ferramenta em mm.

4. Medição e conversão de durezas: HRC, HV e HB

A dureza mede a resistência de um material à penetração de um indentador. Esta unidade usa três escalas, cada uma com o seu método, o seu indentador e o seu campo de aplicação:

O HV é o único que cobre toda a gama de durezas com a mesma escala, por isso é o preferido para medir a dureza superficial de camadas finas obtidas por tratamento termoquímico (a marca deixada é pequena e não atravessa a camada endurecida). O HB não se recomenda para durezas muito elevadas nem perto de bordas ou peças finas, porque a esfera não penetra de forma fiável ou deforma a peça.

Conversão aproximada entre escalas

⚠️ As três escalas não convertem entre si por uma fórmula exata, porque medem a resistência à penetração com indentadores e geometrias diferentes. Existem apenas tabelas de correspondência aproximada, válidas só dentro da gama testada e para famílias de materiais semelhantes (tipicamente aços). Quando a precisão importa, testa-se diretamente na escala pedida, nunca se calcula uma escala a partir da outra.

Tabela de referência aproximada para aços, a consultar sempre que for preciso converter:

Nota-se também que o HB deixa de ser uma escala prática acima de cerca de HRC 55 a 60: a esfera do ensaio Brinell deforma-se ou a marca fica pequena e difícil de medir com rigor em materiais tão duros, por isso a tabela marca essa gama como "fora da gama Brinell habitual".

5. Processos de corrosão e de desgaste

Escolher o tratamento certo obriga a reconhecer primeiro que processo de degradação a peça vai sofrer.

Corrosão

Princípios de proteção: escolher materiais compatíveis (evitar pares galvânicos desfavoráveis em contacto direto), aplicar um revestimento de proteção adequado ao ambiente, desenhar sem frestas onde a água se acumule, e usar inibidores de corrosão em circuitos fechados de refrigeração.

Desgaste

Adequar os processos de corrosão e de desgaste é decidir, para cada superfície, qual destes mecanismos é o mais provável e escolher a resposta que o combate, sem sobre-especificar (um tratamento caro numa superfície sem risco real é desperdício) nem sub-especificar (uma superfície crítica sem proteção falha em serviço).

6. Tratamentos térmicos: têmpera, revenido e homogeneização

Os tratamentos térmicos atuam em todo o volume (ou pelo menos em toda a secção) da peça, alterando a estrutura interna do material e, com ela, a sua dureza e resistência mecânica. Não acrescentam material nem espessura mensurável: a peça mantém a mesma forma exterior, salvo um ligeiro empeno de origem térmica que se compensa deixando uma sobre-espessura de retificação antes do tratamento, exatamente como se viu para a retificação na unidade anterior.

• Têmpera: aquecimento acima da temperatura de austenitização seguido de arrefecimento rápido (água, óleo ou ar forçado, consoante o aço), que transforma a estrutura em martensite, muito dura mas frágil.
• Revenido: reaquecimento a uma temperatura mais baixa, sempre a seguir à têmpera, que reduz a fragilidade e ajusta a dureza final ao valor pretendido, sem perder a resistência mecânica desejada.
• Homogeneização: tratamento a alta temperatura e longa duração que uniformiza a composição química e a estrutura do material, normalmente aplicado a blocos ou lingotes de aço para moldes antes de qualquer maquinação, para evitar distorções e durezas irregulares mais tarde.

Anota-se no desenho por nota de texto junto à peça ou na legenda, nunca pelo símbolo de rugosidade (que é para o estado de acabamento superficial, não para o volume do material):

Têmpera e revenido: 48-52 HRC
Retificar após tratamento térmico

7. Tratamentos termoquímicos: cementação e nitruração

Ao contrário do tratamento térmico ao volume todo, os tratamentos termoquímicos alteram a composição química só numa camada superficial (o "case"), deixando o núcleo mais dúctil. São a resposta certa quando o requisito é resistência ao desgaste na superfície com tenacidade no núcleo.

• Cementação: difusão de carbono na superfície de um aço de baixo teor de carbono, a alta temperatura, seguida de têmpera; cria uma camada dura (tipicamente até cerca de 60 HRC) com profundidade de camada corrente entre 0,3 e 1,5 mm, consoante a aplicação.
• Nitruração: difusão de azoto a temperatura mais baixa (cerca de 500 a 550 °C), sem têmpera posterior, produzindo nitretos muito duros na camada superficial (frequentemente 650 a 750 HV) com menor distorção do que a cementação, por trabalhar a temperatura mais baixa.

Anota-se por chamada junto à superfície ou nota geral, com o processo, a profundidade de camada e a dureza superficial esperada:

Nitrurar
Profundidade de camada: 0,3 mm
Dureza superficial: 700 HV

Efeito nas cotas

A nitruração acrescenta uma ligeira espessura à superfície, porque parte da camada de nitretos cresce para fora da superfície original, seguindo a mesma lógica dos revestimentos vista no capítulo seguinte: em superfícies exteriores, a cota de pré-tratamento é a cota final menos o crescimento esperado, por cada lado do diâmetro.

8. Outros tratamentos: cromagem dura e níquel químico

Estes dois tratamentos acrescentam material sobre a superfície original, por eletrodeposição:

• Cromagem dura: eletrodeposição de crómio, com dureza superficial elevada (tipicamente 900 a 1100 HV) e boa resistência ao desgaste e à corrosão; espessuras correntes entre 20 e 100 µm. Usada em hastes, guias e superfícies de deslizamento sujeitas a desgaste.
• Níquel químico: deposição autocatalítica (sem corrente elétrica aplicada), com a grande vantagem de dar uma camada muito uniforme mesmo em geometrias complexas e em furos internos, onde a cromagem eletrolítica tem dificuldade em depositar de forma regular; boa resistência à corrosão; espessuras correntes entre 10 e 25 µm.

Regra geral de cotagem para revestimentos

A cota indicada no desenho de definição é sempre a cota funcional final, ou seja, depois de o revestimento estar aplicado: é essa que garante o ajustamento com a peça companheira. A peça tem de ser maquinada antes do revestimento, numa cota de pré-revestimento calculada a partir da cota final:

• Em superfícies exteriores (veios), o revestimento acrescenta espessura ao diâmetro (uma vez de cada lado), por isso cota de pré-revestimento = cota final − 2 × espessura do revestimento.
• Em furos, o revestimento reduz o diâmetro interior (também uma vez de cada lado), por isso cota de pré-revestimento = cota final + 2 × espessura do revestimento.

9. Revestimentos: pintura, metalização, lacagem, oxidação, anodização e titânio/alumínio

Os revestimentos cobrem uma gama larga de propósitos, do puramente estético ao funcional de alta dureza:

• Pintura: camada orgânica líquida, função sobretudo estética e de proteção ligeira contra corrosão; espessura tipicamente entre 20 e 120 µm por demão, sem exigência de cotagem apertada, aplicada normalmente em superfícies sem função de ajuste.
• Metalização: projeção térmica de um metal fundido ou semifundido sobre a superfície, para proteção ou para reconstrução dimensional de uma peça desgastada, que depois pode ser maquinada de novo à cota pretendida.
• Lacagem: aplicação de uma laca ou verniz de acabamento, semelhante à pintura na função, geralmente mais fina e com maior brilho ou dureza de superfície.
• Oxidação e anodização (alumínio): conversão química ou eletroquímica da própria superfície do metal numa camada de óxido, que aumenta a resistência à corrosão e a dureza superficial. Parte da camada de óxido cresce para fora da superfície original e parte consome o metal de base, tipicamente em proporções semelhantes.
• Titânio/Alumínio (revestimentos PVD): revestimentos como TiN ou TiAlN, aplicados por deposição física em vapor sobre ferramentas e machos de molde, com camadas muito finas (1 a 5 µm) e dureza superficial muito elevada (2000 a 3000 HV), que reduzem o atrito e o desgaste sem alterar praticamente a cota da peça.

Ao contrário da cromagem dura e do níquel químico, os revestimentos PVD (titânio/alumínio) têm espessura tão reduzida que, na maioria das aplicações, não obrigam a recalcular a cota de pré-revestimento: aplicam-se já sobre a peça na sua cota final acabada, exceto em ajustes extremamente apertados onde mesmo poucos micrómetros contam.

10. Limpeza de superfícies: a decapagem

Nenhum tratamento de superfície ou revestimento adere bem a uma superfície suja, oxidada ou com carepa. A limpeza de superfícies é sempre o passo que antecede um tratamento ou um revestimento, nunca um fim em si mesma.

A decapagem é a remoção química de óxidos, carepa de forjamento ou de tratamento térmico, e outros contaminantes, por imersão em banhos ácidos ou alcalinos. A sequência típica de preparação é:

Desengorduramento → Decapagem (banho ácido/alcalino) → Lavagem e neutralização → Tratamento ou revestimento

Complementarmente, a projeção de abrasivo (jato de areia ou de granalha) também prepara mecanicamente a superfície, removendo carepa e criando uma rugosidade controlada que melhora a aderência de uma pintura ou de uma metalização.

⚠️ Uma peça mal decapada ou mal desengordurada compromete todo o tratamento seguinte: um revestimento sobre uma superfície suja descola, e um tratamento termoquímico sobre óxidos não penetra de forma uniforme. A limpeza não é um detalhe, é uma condição do resultado final.

11. Segurança e saúde no trabalho nos tratamentos e acabamentos

Os banhos químicos de decapagem, cromagem e niquelagem, a projeção de abrasivo e o polimento envolvem riscos que têm de ser geridos com o equipamento de proteção individual (EPI) correto e com regras claras de trabalho:

• Banhos ácidos e alcalinos (decapagem, cromagem, níquel químico): usar sempre luvas químicas resistentes ao produto em causa, óculos ou viseira de proteção, avental ou roupa de proteção química, e trabalhar com ventilação ou exaustão local eficaz. Consultar sempre a ficha de dados de segurança (FDS) do produto antes de o manusear.
• Regra fixa de diluição de ácidos: quando é preciso diluir um ácido concentrado, junta-se sempre o ácido à água, lentamente, e nunca a água ao ácido; fazer o contrário pode provocar uma reação violenta com projeção do produto.
• Chuveiro de emergência e lava-olhos: têm de estar acessíveis e desobstruídos junto a qualquer posto com banhos químicos.
• Projeção de abrasivo (jato): usar proteção respiratória adequada à poeira gerada, proteção auditiva, e trabalhar preferencialmente numa cabine fechada com aspiração, nunca ao ar livre sem confinamento.
• Polimento: usar óculos de proteção contra projeção de partículas e a guarda da roda ou do disco de polir, nunca desmontada; recolher o pó de polimento por aspiração, não por sopro com ar comprimido.
• Regras gerais: não comer, beber nem fumar no posto de trabalho com produtos químicos; lavar as mãos antes de qualquer pausa; sinalização de segurança visível e legível em todos os banhos e equipamentos.

O rigor com estas regras é uma atitude avaliada nesta unidade, tal como a responsabilidade, a autodisciplina e o respeito pelas normas definidas.

Erros comuns

• Inventar um fator fixo de conversão entre HRC, HB e HV. Só existem tabelas aproximadas, válidas dentro da gama testada; quando a precisão importa, testa-se na escala pedida.
• Confundir tratamento térmico (atua em todo o volume, não acrescenta espessura) com tratamento termoquímico (só uma camada superficial, com ligeiro crescimento dimensional) e com revestimento (acrescenta espessura mensurável por eletrodeposição ou deposição).
• Cotar a peça só com a cota final e esquecer a cota de pré-revestimento: a peça sai fora de medida depois do banho de cromagem ou de níquel químico.
• Usar o símbolo com barra (remoção obrigatória) numa superfície já levada à cota final por tratamento termoquímico ou revestimento, ou usar o símbolo com círculo numa superfície que ainda precisa de ser retificada.
• Escolher um tratamento termoquímico quando o requisito real é resistência mecânica em todo o volume (que pede tratamento térmico), ou vice-versa.
• Colocar dois metais diferentes em contacto direto num ambiente húmido sem prever a corrosão galvânica.
• Aplicar um revestimento ou um tratamento sobre uma superfície mal decapada ou mal desengordurada.
• Trabalhar com banhos químicos, jato de abrasivo ou polimento sem o EPI correto, ou diluir um ácido juntando água ao ácido em vez do contrário.

Glossário

• HRC: dureza Rockwell C, medida com cone de diamante e carga de 150 kgf.
• HB: dureza Brinell, medida com esfera, para materiais mais moles.
• HV: dureza Vickers, com pirâmide de diamante, válida em toda a gama de durezas.
• Têmpera: aquecimento e arrefecimento rápido que endurece o material em todo o volume.
• Revenido: reaquecimento moderado após a têmpera, que reduz a fragilidade.
• Homogeneização: tratamento a alta temperatura que uniformiza a estrutura do material antes de maquinar.
• Cementação: difusão de carbono na superfície, com têmpera posterior.
• Nitruração: difusão de azoto na superfície, a temperatura mais baixa, sem têmpera posterior.
• Cromagem dura: eletrodeposição de crómio, para dureza e resistência ao desgaste.
• Níquel químico: deposição autocatalítica de níquel, uniforme mesmo em furos e geometrias complexas.
• Anodização: conversão eletroquímica da superfície do alumínio numa camada de óxido protetora.
• PVD: deposição física em vapor, usada em revestimentos finos e muito duros como o TiN.
• Decapagem: remoção química de óxidos e contaminantes por banho ácido ou alcalino.
• Corrosão galvânica: corrosão acelerada de um metal em contacto elétrico com outro mais nobre, na presença de um eletrólito.
• Qualidade de fabrico (classe N): classe normalizada de rugosidade, de N1 (mais fina) a N12 (mais grosseira).
• EPI: equipamento de proteção individual.

Síntese

Especificar o acabamento de um componente parte da definição das especificações técnicas e dos requisitos da peça, que decidem o tipo de resposta necessária. A simbologia normalizada (ISO 21920, com os três vistos: sem adição, com círculo, com barra) representa o estado de acabamento no desenho, apoiada na rugosidade (Ra e Rz, nunca convertíveis entre si, mais as classes de qualidade N) e na dureza (HRC, HB e HV, também sem conversão exata, só tabelas aproximadas). Os processos de corrosão e de desgaste identificam o risco que cada superfície enfrenta, e essa análise leva à escolha entre tratamento térmico (todo o volume, sem espessura acrescentada), tratamento termoquímico (camada superficial, com ligeiro crescimento dimensional) e revestimento (espessura mensurável, que obriga a calcular a cota de pré-revestimento, menor em veios e maior em furos). A limpeza de superfícies prepara sempre o terreno para qualquer tratamento ou revestimento, e a segurança no trabalho com banhos químicos, jato e polimento fecha o processo completo, da especificação à peça acabada.

Exercícios resolvidos

1. Uma cavilha guia vai receber cromagem dura de 0,04 mm por lado e a cota funcional final é Ø18,00 mm. A que cota se maquina a cavilha antes de cromar?

Resolução: é uma superfície exterior (veio), logo cota de pré-revestimento = cota final − 2 × espessura = 18,00 − 2 × 0,04 = 18,00 − 0,08 = Ø17,92 mm.

2. Um furo de casquilho vai receber níquel químico de 0,01 mm por lado e a cota funcional final é Ø35,00 mm. A que cota se mandrila o furo antes de niquelar?

Resolução: é um furo, logo cota de pré-revestimento = cota final + 2 × espessura = 35,00 + 2 × 0,01 = 35,00 + 0,02 = Ø35,02 mm.

3. Uma peça foi medida no durómetro com HRC 50. Indica os valores aproximados de HB e HV, e explica porque não se calcula um a partir do outro.

Resolução: pela tabela de conversão aproximada, HRC 50 corresponde a cerca de HB 481 e HV 513. Não se calcula, porque HRC, HB e HV usam indentadores e geometrias diferentes; não há uma fórmula exata entre eles, só tabelas de correspondência aproximada, válidas dentro da gama testada.

4. Uma superfície torneada com avanço de 0,3 mm/rot e uma ferramenta com raio de ponta 0,4 mm. Calcula a altura teórica de crista (Rmax) em µm.

Resolução: R_max = f² / (8 × r) = 0,3² / (8 × 0,4) = 0,09 / 3,2 = 0,028125 mm ≈ 28,1 µm. É um valor teórico elevado para um acabamento fino; para melhorar, reduz-se o avanço ou aumenta-se o raio de ponta.

5. Um parafuso de aço inoxidável vai fixar uma peça de alumínio num ambiente com humidade frequente. Que risco existe e que cuidado se deve ter no desenho?

Resolução: existe risco de corrosão galvânica, porque o aço inoxidável é mais nobre do que o alumínio; na presença de humidade (o eletrólito), o alumínio corrói-se preferencialmente junto ao contacto. Deve isolar-se eletricamente o contacto (anilha ou revestimento isolante) ou escolher um par de materiais mais próximo eletroquimicamente.

6. Um macho de molde precisa de resistência ao desgaste na superfície, mantendo o núcleo tenaz para resistir a impacto. Que tipo de tratamento se escolhe, e porque não um tratamento térmico simples?

Resolução: escolhe-se um tratamento termoquímico (nitruração ou cementação), porque endurece só a camada superficial mantendo o núcleo dúctil. Um tratamento térmico ao volume todo (têmpera e revenido) endureceria também o núcleo, tornando a peça mais frágil ao impacto, sem dar o ganho de resistência ao desgaste concentrado na superfície que a aplicação exige.