UC02886

Aplicar materiais e tratamentos a componentes em projeto mecânico

Aços, ferros fundidos, ensaios mecânicos e tratamentos térmicos e de superfície aplicados a moldes

Curso profissional · 25h · Técnico de Desenho e Projeto de Moldes

Plano

  1. Materiais metálicos e propriedades
  2. Ligas ferrocarbónicas: aços e ferros fundidos
  3. A chave dos aços: normalização EN 10027
  4. Influência dos elementos de liga
  5. Ensaios de tração, flexão e torção
  6. Ensaios mecânicos de dureza
  7. Materiais não metálicos, poliméricos e compósitos
  8. Propriedades tecnológicas: desgaste e corrosão
  9. Tratamentos térmicos
  10. Tratamentos de superfície e revestimentos
  11. Selecionar materiais e tratamentos em projeto
  12. Segurança e saúde no trabalho em tratamentos

Bloco 1 · Materiais metálicos e propriedades

Propriedades físicas e mecânicas

Escolher um material é escolher um conjunto de propriedades:

  • Físicas: densidade, condutividade térmica e elétrica, ponto de fusão, dilatação térmica.
  • Mecânicas: resistência mecânica, dureza, elasticidade, ductilidade, tenacidade, resistência à fadiga.

O aço tem densidade cerca de 7,85 g/cm³; o alumínio, cerca de 2,70 g/cm³. Propriedades físicas descrevem a natureza do material; propriedades mecânicas medem-se sob ação de uma força.

Metais ferrosos e não ferrosos

  • Ferrosos (à base de ferro): aços e ferros fundidos, dominam o projeto mecânico e os moldes.
  • Não ferrosos: alumínio, cobre, zinco e as suas ligas, escolhidos por leveza, condutividade térmica ou resistência à corrosão sem tratamento adicional.

Uma placa de fecho maciça, sujeita sobretudo a compressão, resolve-se com um aço ao carbono comum. Um macho com canal de refrigeração estreito beneficia de melhor condutividade térmica, para reduzir o tempo de ciclo.

Bloco 2 · Ligas ferrocarbónicas

Aço vs ferro fundido

O que separa aço de ferro fundido é o teor de carbono:

Liga Carbono (%) Características
Aço até cerca de 2,1% dúctil, forjável, soldável
Ferro fundido acima de cerca de 2,1% (tipicamente 2,5 a 4%) frágil, boa fundibilidade, amortece vibrações

Dentro dos aços: baixo carbono (até 0,25%), médio carbono (0,25 a 0,6%), alto carbono (acima de 0,6%), com dureza e fragilidade crescentes.

Famílias de ferro fundido

  • Cinzento: grafite em lamelas, boa maquinabilidade e amortecimento, frágil à tração.
  • Nodular (dúctil): grafite em nódulos esféricos, muito mais tenaz que o cinzento.
  • Branco: carbono em cementite, extremamente duro e frágil, usado onde domina o desgaste abrasivo.

Um aço-liga é um aço ao qual se adicionam elementos químicos (crómio, níquel, molibdénio, vanádio) para melhorar propriedades específicas.

Bloco 3 · A chave dos aços

Número de chave e designação simbólica (EN 10027)

  • Número de chave (Werkstoffnummer): formato 1.XXXX, código curto e inequívoco. Ex.: 1.2344.
  • Designação simbólica: traduz a composição química. Baixa liga (menos de 5% de liga): teor de carbono × 100 + símbolos + números pelo fator da norma (ex.: 42CrMo4). Alta liga (5% ou mais): começa por X + carbono × 100 + símbolos + teores reais aproximados (ex.: X40CrMoV5-1).

X40CrMoV5-1: cerca de 0,40% C, crómio à volta de 5%, vanádio à volta de 1%, molibdénio presente em teor menor.

Equivalências entre normas

Chave Designação Aço
1.1730 C45 carbono médio
1.2311 40CrMnMo7 pré-temperado para moldes
1.2738 40CrMnNiMo8-6-4 pré-temperado, maior temperabilidade
1.2316 X36CrMo17 inoxidável martensítico
1.2344 X40CrMoV5-1 trabalho a quente
1.2379 X153CrMoV12 trabalho a frio

Cruzar com a norma americana (ex.: 1.2344 ≈ AISI H13) é útil, mas é uma equivalência aproximada, nunca uma igualdade de norma para norma.

Bloco 4 · Influência dos elementos de liga

O que cada elemento muda

Elemento Efeito principal
Carbono (C) dureza e resistência; reduz ductilidade
Crómio (Cr) temperabilidade, desgaste; corrosão se ≥ 12%
Níquel (Ni) tenacidade, temperabilidade em secções grandes
Molibdénio (Mo) resistência a quente, reduz fragilidade de revenido
Vanádio (V) grão fino, dureza a quente

Manganês (Mn) aumenta a temperabilidade e contraria o enxofre; enxofre (S) e chumbo (Pb) melhoram a maquinabilidade mas reduzem a tenacidade; tungsténio (W) dá resistência ao desgaste a quente.

Ler a liga na designação

Um aço de trabalho a quente como o 1.2344 junta:

  • Crómio: temperabilidade e resistência ao desgaste.
  • Molibdénio: resistência a quente, sem fragilizar no revenido.
  • Vanádio: grão fino, dureza retida a quente.

Nunca inventes nem arredondes teores "de cabeça": a composição lê-se na ficha técnica do fabricante ou na norma.

Bloco 5 · Ensaios de tração, flexão e torção

O ensaio de tração

Um provete de secção A₀ é traccionado até romper, registando força F e alongamento:

  • Tensão: σ = F / A₀, em N/mm² (MPa).
  • Deformação: ε = ΔL / L₀.
  • Na zona elástica: σ = E · ε (lei de Hooke), com E (módulo de elasticidade) ≈ 210 GPa no aço, praticamente igual em todos os aços.

Retira-se ainda a tensão limite elástico (Re), a tensão de rotura (Rm) e o alongamento após rotura (A%, ductilidade).

Exemplo de cálculo, e flexão/torção

Provete com A₀ = 78,5 mm² (d = 10 mm), F = 16 500 N na zona elástica, L₀ = 100 mm, ΔL = 0,1 mm:

σ = 16500 / 78,5 ≈ 210 MPa · ε = 0,1 / 100 = 0,001 · E = 210 / 0,001 = 210 GPa

Flexão: carga transversal num provete apoiado, dá a tensão de rotura à flexão; usada em materiais frágeis (ferros fundidos, cerâmicos). Torção: momento torsor num provete cilíndrico, dá o módulo de elasticidade transversal (G), relevante em veios.

Bloco 6 · Ensaios mecânicos de dureza

As três escalas

Escala Penetrador Gama de aplicação
Brinell (HB) esfera macios a médios, ferros fundidos, pré-temperados
Rockwell C (HRC) cone de diamante aços temperados, tipicamente 20 a 70 HRC
Vickers (HV) pirâmide de diamante gama muito ampla, única adequada a camadas finas

Cada escala tem uma gama de validade. Abaixo de cerca de 20 HRC o ensaio Rockwell C deixa de ser fiável; usa-se HB.

Camadas finas exigem Vickers

Numa camada nitrurada de poucas décimas de milímetro, um penetrador de Rockwell C, com carga elevada, 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 (fornecimento, temperado, revenido, nitrurado).

Bloco 7 · Materiais não metálicos

Poliméricos e compósitos

  • Termoplásticos (PA, POM, PC): fundem e ressolidificam sem alterar a estrutura; usados em buchas de baixo atrito.
  • Termoendurecíveis (epóxi, poliéster): curam de forma irreversível; usados em isolamento e compósitos.
  • Elastómeros (borracha, silicone): grande deformação elástica reversível; vedantes e amortecedores.
  • Compósitos (GFRP, CFRP): fibra numa matriz de resina, boa relação resistência/peso, comportamento anisótropo.

Quando escolher não metálico

A escolha entre metálico e não metálico é uma troca entre resistência/dureza e peso/isolamento/custo. Ganha o não metálico quando a função pede leveza, isolamento elétrico ou térmico, ou resistência química a um ambiente específico, sem exigir resistência extrema ao desgaste.

Bloco 8 · Desgaste e corrosão

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 térmicos e de superfície.

Um plástico com carga de fibra de vidro é altamente abrasivo: exige maior dureza superficial da cavidade e do macho para aguentar milhares de ciclos.

Resistência à corrosão

Um aço ao carbono comum oxida em contacto com humidade. Um aço com crómio igual ou superior a cerca de 12% forma óxido de crómio passivante e estável, base dos aços inoxidáveis (ex.: 1.2316).

Alguns plásticos libertam substâncias corrosivas ao transformar (o PVC liberta ácido clorídrico a quente): a cavidade que o molda tem de resistir a essa corrosão, além do desgaste normal.

Bloco 9 · Tratamentos térmicos

Têmpera, revenido, recozimento, alívio de tensões

  • Têmpera: aquecimento acima da austenitização + arrefecimento rápido; aumenta muito a dureza, introduz tensões.
  • Revenido: reaquecimento moderado após a têmpera; reduz a fragilidade, ajusta a dureza final.
  • Recozimento: aquecimento e arrefecimento muito lento; amolece e remove tensões, melhora a maquinabilidade.
  • Alívio de tensões: aquecimento moderado, abaixo da transformação; reduz tensões residuais com pouca distorção.

Cementação vs nitruração

Cementação Nitruração
O que difunde carbono azoto
Têmpera posterior sim não
Dureza superficial típica 58 a 62 HRC 900 a 1200 HV
Espessura da camada 0,3 a 2 mm 0,1 a 0,6 mm
Distorção maior (pela têmpera final) muito reduzida

Não são a mesma coisa. A cementação exige têmpera posterior e distorce mais; a nitruração já endurece sem têmpera, com muito menos distorção.

Bloco 10 · Tratamentos de superfície e revestimentos

Cromagem dura e PVD

  • Cromagem dura: eletrodeposição de crómio, alguns micrómetros a dezenas de micrómetros, dureza aparente 800 a 1000 HV; camada fina que pode lascar em impacto.
  • PVD: aplicado a baixa temperatura (150 a 500 °C), preserva a dureza do núcleo. Camadas de poucos micrómetros:
    • TiN: dourado, 2000 a 2500 HV, baixo atrito.
    • CrN: acinzentado, boa resistência à corrosão, 1750 a 2200 HV.
    • DLC: atrito muito baixo, dureza elevada, zonas de deslizamento.

A regra que separa as duas famílias

Um tratamento térmico (têmpera, revenido, recozimento, alívio de tensões, cementação, nitruração) muda a estrutura do metal por ação do calor, no núcleo ou numa camada de dimensão apreciável.

Um tratamento de superfície ou revestimento (cromagem, PVD, TiN, CrN, DLC) acrescenta uma camada nova, muito fina, sobre a superfície já tratada termicamente, sem mexer no núcleo.

Bloco 11 · Selecionar materiais e tratamentos

Componentes de um molde, um a um

Componente Solicitação Material e tratamento
Placas de base compressão, sem desgaste C45 (1.1730), normalizado
Cavidade/macho, série média desgaste moderado 1.2311 ou 1.2738, pré-temperado, 28 a 34 HRC
Cavidade/macho, série longa desgaste elevado 1.2344 ou 1.2379, temperado e revenido
Cavidade/macho, plástico corrosivo corrosão + desgaste 1.2316 inoxidável, ou revestimento sobre aço base
Colunas-guia atrito, tolerância apertada aço nitrurado, distorção mínima

O raciocínio de seleção

  1. Identificar a função e a solicitação real do componente.
  2. Adequar as propriedades do material a essa função (critério de desempenho da UC).
  3. Escolher o tratamento que entrega essas propriedades com o menor custo e a menor distorção dimensional.

Duas colunas-guia à mesma cota: a cementação distorce e obriga a retificar de novo; a nitruração distorce muito menos e permite tratar já na cota final.

Bloco 12 · Segurança no trabalho em tratamentos

Fornos e banhos de têmpera

  • Fornos: temperaturas muito elevadas; luvas térmicas, avental, viseira; nunca tocar sem confirmar arrefecimento; ventilação e extração de fumos.
  • Banhos de óleo: risco de incêndio e projeção; extintor de classe adequada (nunca água em fogo de óleo); mergulhar de forma controlada.
  • Banhos de água: risco de projeção de vapor; proteção facial sempre.
  • Banhos de sais fundidos: podem ser muito tóxicos; extração local obrigatória, EPI específico, formação prévia obrigatória.

Atmosferas, limpeza e manutenção

  • Atmosferas controladas (cementação gasosa): podem conter monóxido de carbono; deteção de gases e ventilação obrigatórias.
  • Limpeza e manutenção: nunca misturar produtos químicos sem confirmar compatibilidade; EPI mesmo em tarefas de rotina; sinalizar e isolar equipamento antes de intervir.

O rigor com as normas de segurança é uma atitude avaliada nesta UC, tal como o rigor técnico na seleção de materiais.

Recapitulando

  • Aço vs ferro fundido: separa-os o teor de carbono; a EN 10027 identifica cada aço pela chave (1.XXXX) e pela composição (designação simbólica).
  • Elementos de liga (Cr, Ni, Mo, V…) explicam a função de cada aço; ensaios de tração, flexão, torção e dureza confirmam as propriedades, cada escala na sua gama de validade.
  • Desgaste e corrosão ligam as propriedades ao serviço real do componente.
  • Tratamentos térmicos (têmpera, revenido, recozimento, alívio de tensões, cementação, nitruração) mudam a estrutura do metal; tratamentos de superfície (cromagem, PVD, TiN, CrN, DLC) acrescentam uma camada fina, sem mexer no núcleo.
  • Selecionar bem é cruzar função → propriedade → tratamento, sempre com rigor e segurança.

Próximo: fichas e mini-projeto, selecionar materiais e tratamentos para componentes reais de molde.

NOTAS DO PROFESSOR - Enfatizar: separar bem "propriedade física" (natureza do material) de "propriedade mecânica" (medida sob esforço). É a distinção mais confundida no início. - Erro comum: alunos misturam dureza com resistência mecânica como se fossem sinónimos. - Exemplo: comparar um bloco de aço e um de alumínio do mesmo tamanho ao pegar, para sentir a diferença de densidade.

NOTAS DO PROFESSOR - Enfatizar: a escolha ferroso/não ferroso já é uma decisão de projeto, não um acaso. - Pergunta: porque não se faz todo o molde em alumínio, que é mais leve? (menor resistência ao desgaste e à compressão repetida). - Exemplo: radiadores e permutadores usam cobre/alumínio pela condutividade térmica, não pela resistência mecânica.

NOTAS DO PROFESSOR - Enfatizar: o limite de 2,1% de carbono não é decorável ao decimal, o que importa é a fronteira e o efeito prático (ductilidade vs fragilidade). - Erro comum: classificar a liga "pelo peso ou pela cor", em vez de pelo teor de carbono. - Pergunta: porque é o ferro fundido mais usado em bases pesadas e o aço em componentes que dobram ou sofrem impacto?

NOTAS DO PROFESSOR - Enfatizar: a forma da grafite (lamelar vs esférica) é o que muda a tenacidade entre cinzento e nodular, não a quantidade de carbono. - Erro comum: achar que "fundido" é sempre pior que "aço"; depende da função. - Exemplo: bancadas de máquinas-ferramenta usam ferro fundido cinzento pelo amortecimento de vibrações.

NOTAS DO PROFESSOR - Enfatizar: o número de chave (1.XXXX) e a designação simbólica são dois nomes para o MESMO aço, não dois aços diferentes. - Erro comum: confundir o "5" e o "1" de X40CrMoV5-1 com percentagens exatas ao decimal; são valores aproximados da norma. - Exercício rápido: decompor 42CrMo4 (0,42% C, crómio perto de 1%).

NOTAS DO PROFESSOR - Enfatizar: nunca escrever uma equivalência entre normas sem dizer "aproximada". É um erro de rigor grave num caderno de encargos. - Erro comum: tratar o nome comercial do fornecedor como se fosse a norma. - Pergunta: porque é que dois aços "equivalentes" de fornecedores diferentes podem ter propriedades ligeiramente diferentes?

NOTAS DO PROFESSOR - Enfatizar: cada elemento resolve um problema específico, a composição de um aço não é arbitrária. - Erro comum: achar que "mais elementos de liga" é sempre melhor; cada um tem uma contrapartida (custo, soldabilidade, fragilidade). - Exemplo: o 1.2344 junta Cr+Mo+V exatamente para resistir a calor repetido sem fissurar, a combinação certa para o trabalho a quente.

NOTAS DO PROFESSOR - Enfatizar: a combinação de elementos explica a função do aço, não é decoração no nome. - Pergunta: porque não usar só crómio, sem molibdénio nem vanádio, num aço de trabalho a quente? (perderia resistência a quente e finura de grão). - Erro comum: citar um teor de elemento de memória, sem confirmar na ficha.

NOTAS DO PROFESSOR - Enfatizar: o módulo de elasticidade do aço não muda com a liga nem com o tratamento térmico; o que muda é a resistência (Re, Rm). - Erro comum: confundir tensão de rotura com dureza, são ensaios e conceitos diferentes. - Exemplo: puxar um elástico (grande deformação, baixo E) vs puxar um arame de aço (pequena deformação, alto E), para sentir a diferença de rigidez.

NOTAS DO PROFESSOR - Enfatizar: refazer o cálculo com a turma no quadro, confirmando que o E dá ≈210 GPa, o valor esperado do aço. - Erro comum: trocar as unidades (N, mm, MPa, GPa) na fórmula; rever a conversão 1 GPa = 1000 MPa. - Pergunta: porque se usa flexão, e não tração, para testar o ferro fundido? (é frágil e difícil de fixar nas amarras da tração).

NOTAS DO PROFESSOR - Enfatizar: dureza é o ensaio mais usado no dia a dia, rápido e quase não danifica a peça, por isso é a forma habitual de confirmar um tratamento. - Erro comum: comparar valores de escalas diferentes sem converter (e sem saber que a conversão é só aproximada, específica de cada material). - Exemplo: medir a mesma peça em HB e depois tentar "converter de cabeça" para HRC, sem tabela de referência do material.

NOTAS DO PROFESSOR - Enfatizar: esta é uma das regras mais importantes da UC, ligar sempre à seleção de tratamentos do Bloco 9 e 10. - Erro comum: medir uma peça nitrurada em HRC "porque é o que está no manual do durómetro da oficina". - Pergunta: se um relatório não disser em que estado o material foi medido, o valor de dureza serve para alguma coisa? (não, sem o estado o número não se pode comparar).

NOTAS DO PROFESSOR - Enfatizar: comparados com o aço, têm resistência e dureza muito inferiores, mas ganham em peso e isolamento. - Erro comum: tratar "compósito" como sinónimo de "plástico reforçado qualquer"; o comportamento depende muito da direção da fibra. - Exemplo: uma bucha de guiamento leve em POM/PA vs uma coluna-guia de aço nitrurado, a mesma função com materiais diferentes.

NOTAS DO PROFESSOR - Enfatizar: nunca escolher um material só por hábito; a decisão é sempre função + solicitações. - Pergunta: porque não se faz uma cavidade inteira de molde em compósito? (não aguenta a pressão de injeção nem a abrasão repetida). - Erro comum: ignorar a anisotropia do compósito ao dimensionar uma peça sujeita a esforço em várias direções.

NOTAS DO PROFESSOR - Enfatizar: desgaste não é uma propriedade "de catálogo" isolada, é a consequência prática da dureza superficial em serviço. - Erro comum: escolher um aço só pela dureza indicada, sem confirmar se é a dureza superficial (a que interage com o plástico) ou do núcleo. - Pergunta: porque desgasta mais depressa um aço a 30 HRC do que um a 50 HRC no mesmo serviço?

NOTAS DO PROFESSOR - Enfatizar: corrosão química por causa do próprio plástico é um requisito muitas vezes esquecido na seleção de material de molde. - Erro comum: escolher só pela resistência ao desgaste e esquecer o ambiente químico do plástico a moldar. - Exemplo: uma cavidade para PVC em aço comum apresenta corrosão visível nas primeiras semanas de produção.

NOTAS DO PROFESSOR - Enfatizar: têmpera SEM revenido é raramente usada em serviço, o material fica demasiado frágil. - Erro comum: aplicar só têmpera e esquecer o revenido, ou trocar a ordem dos dois. - Exemplo: uma peça maquinada com tensões internas de corte pode empenar semanas depois; o alívio de tensões resolve isso sem alterar a dureza.

NOTAS DO PROFESSOR - Enfatizar: esta tabela é a mais avaliada da UC, comparar sempre nos dois eixos (o que difunde, e se exige têmpera). - Erro comum: usar HRC para a dureza da nitruração, quando a camada é fina de mais para essa escala (ver Bloco 6). - Pergunta: numa coluna-guia já retificada à cota final, qual dos dois tratamentos escolherias e porquê? (nitruração, distorce menos).

NOTAS DO PROFESSOR - Enfatizar: PVD aplica-se DEPOIS da têmpera e do revenido finais, a temperatura baixa, sem os alterar. - Erro comum: confundir revestimento com tratamento térmico, achando que o TiN "substitui" a têmpera. - Exemplo: uma peça já temperada, revenida e retificada recebe TiN por cima, sem precisar de voltar ao forno de têmpera.

NOTAS DO PROFESSOR - Enfatizar: esta regra resolve a maior parte da confusão de vocabulário nesta matéria; peço aos alunos que a repitam por palavras próprias. - Erro comum: listar TiN ou cromagem como "tratamentos térmicos" num exercício ou relatório. - Pergunta: porque não se aplica PVD antes da têmpera final? (a têmpera exige temperatura muito mais alta, destruiria o revestimento).

NOTAS DO PROFESSOR - Enfatizar: esta tabela junta TODA a UC numa só decisão por linha; usar como ficha de consulta nos exercícios. - Erro comum: escolher o material mais caro/duro "por defeito", sem justificar pela solicitação real do componente. - Exemplo: repetir com a turma o raciocínio da coluna-guia: função → solicitação → propriedade → material → tratamento.

NOTAS DO PROFESSOR - Enfatizar: a ordem importa, função primeiro, tratamento por último; nunca ao contrário. - Erro comum: começar pelo tratamento ("vamos nitrurar tudo") em vez de partir da solicitação do componente. - Pergunta: dá um exemplo de um componente onde a ordem errada (tratamento primeiro) levaria a uma escolha má.

NOTAS DO PROFESSOR - Enfatizar: nunca usar água num fogo de óleo, espalha as chamas; confirmar com a turma que sabe qual o extintor certo. - Erro comum: subestimar o risco de um banho "só de óleo" ou "só de água", ambos têm riscos específicos e sérios. - Exemplo: mostrar (ou descrever) a diferença entre mergulhar uma peça devagar e de rompante num banho de têmpera.

NOTAS DO PROFESSOR - Enfatizar: segurança na limpeza e manutenção é tão obrigatória como durante a operação normal, os alunos tendem a relaxar aqui. - Erro comum: achar que "só estou a limpar" dispensa EPI. - Pergunta: porque é perigoso misturar produtos de limpeza químicos sem confirmar compatibilidade? (podem reagir e libertar gases tóxicos).