Recozimento (ciência dos materiais) - Annealing (materials science)

Na metalurgia e na ciência dos materiais , o recozimento é um tratamento térmico que altera as propriedades físicas e às vezes químicas de um material para aumentar sua ductilidade e reduzir sua dureza , tornando-o mais viável. Trata-se de aquecer um material acima de sua temperatura de recristalização , manter uma temperatura adequada por um período de tempo apropriado e, em seguida, resfriar.

No recozimento, os átomos migram na rede cristalina e o número de deslocamentos diminui, levando a uma mudança na ductilidade e dureza. Conforme o material esfria, ele recristaliza. Para muitas ligas, incluindo aço carbono, o tamanho do grão do cristal e a composição da fase, que em última análise determinam as propriedades do material, dependem da taxa de aquecimento e da taxa de resfriamento. O trabalho a quente ou a frio após o processo de recozimento altera a estrutura do metal, portanto, outros tratamentos térmicos podem ser usados ​​para atingir as propriedades necessárias. Com o conhecimento da composição e do diagrama de fase , o tratamento térmico pode ser usado para ajustar de mais duro e quebradiço a mais macio e dúctil.

No caso de metais ferrosos , como o aço , o recozimento é realizado aquecendo o material (geralmente até brilhar) por um tempo e, em seguida, deixando-o esfriar lentamente até a temperatura ambiente ao ar livre. Cobre , prata e latão podem ser resfriados lentamente ao ar ou rapidamente por têmpera em água. Desta forma, o metal é amolecido e preparado para trabalhos posteriores, como moldagem, estampagem ou moldagem.

Termodinâmica

O recozimento ocorre pela difusão de átomos dentro de um material sólido, de modo que o material progride em direção ao seu estado de equilíbrio. O calor aumenta a taxa de difusão, fornecendo a energia necessária para quebrar as ligações. O movimento dos átomos tem o efeito de redistribuir e erradicar os deslocamentos nos metais e (em menor grau) nas cerâmicas. Essa alteração nos deslocamentos existentes permite que um objeto de metal se deforme com mais facilidade, aumentando sua ductilidade.

A quantidade de energia livre de Gibbs que inicia o processo em um metal deformado também é reduzida pelo processo de recozimento. Na prática e na indústria, essa redução da energia livre de Gibbs é chamada de alívio do estresse .

O alívio de tensões internas é um processo termodinamicamente espontâneo ; no entanto, em temperatura ambiente, é um processo muito lento. As altas temperaturas em que ocorre o recozimento servem para acelerar esse processo.

A reação que facilita o retorno do metal trabalhado a frio ao seu estado livre de tensões tem muitas vias de reação, principalmente envolvendo a eliminação de gradientes de vacância de rede dentro do corpo do metal. A criação de vagas de rede é governada pela equação de Arrhenius , e a migração / difusão de vagas de rede são governadas pelas leis de difusão de Fick .

No aço, existe um mecanismo de descarburação que pode ser descrito como três eventos distintos: a reação na superfície do aço, a difusão intersticial dos átomos de carbono e a dissolução dos carbonetos no aço.

Estágios

Os três estágios do processo de recozimento que ocorrem conforme a temperatura do material aumenta são: recuperação, recristalização e crescimento do grão. O primeiro estágio é a recuperação e resulta no amolecimento do metal por meio da remoção de defeitos principalmente lineares chamados de deslocamentos e das tensões internas que eles causam. A recuperação ocorre no estágio de temperatura mais baixa de todos os processos de recozimento e antes do aparecimento de novos grãos livres de deformação. O tamanho e a forma do grão não mudam. O segundo estágio é a recristalização , onde novos grãos livres de deformação nucleados e crescem para substituir aqueles deformados por tensões internas. Se o recozimento puder continuar após a conclusão da recristalização, ocorre o crescimento do grão (o terceiro estágio). No crescimento do grão, a microestrutura começa a ficar mais grossa e pode fazer com que o metal perca uma parte substancial de sua resistência original. No entanto, isso pode ser recuperado com o endurecimento .

Atmosferas controladas

A alta temperatura de recozimento pode resultar na oxidação da superfície do metal, resultando em incrustações. Se a incrustação deve ser evitada, o recozimento é realizado em uma atmosfera especial , como com gás endotérmico (uma mistura de monóxido de carbono , gás hidrogênio e gás nitrogênio ). O recozimento também é feito na formação de gás , uma mistura de hidrogênio e nitrogênio.

As propriedades magnéticas do metal mu (núcleos Espey) são introduzidas pelo recozimento da liga em uma atmosfera de hidrogênio.

Configuração e equipamento

Normalmente, grandes fornos são usados ​​para o processo de recozimento. O interior do forno é grande o suficiente para colocar a peça de trabalho em uma posição que receba o máximo de exposição ao ar aquecido circulante. Para recozimento de processo de alto volume, fornos de transporte a gás são freqüentemente usados. Para peças grandes ou peças de grande quantidade, fornos de fundo de carro são usados ​​para que os trabalhadores possam mover as peças para dentro e para fora com facilidade. Uma vez que o processo de recozimento é concluído com sucesso, as peças às vezes são deixadas no forno para que esfriem de forma controlável. Enquanto algumas peças são deixadas no forno para esfriar de forma controlada, outros materiais e ligas são removidos do forno. Uma vez removidas do forno, as peças de trabalho são freqüentemente resfriadas rapidamente em um processo conhecido como têmpera. Métodos típicos de materiais de têmpera de têmpera envolvem meios como ar, água, óleo ou sal. O sal é usado como meio de têmpera, geralmente na forma de salmoura (água salgada). A salmoura fornece taxas de resfriamento mais rápidas do que a água. Isso ocorre porque quando um objeto é resfriado em água, bolhas de vapor se formam na superfície do objeto, reduzindo a área de superfície com a qual a água está em contato. O sal da salmoura reduz a formação de bolhas de vapor na superfície do objeto, fazendo com que haja uma área maior da superfície do objeto em contato com a água, proporcionando taxas de resfriamento mais rápidas. O endurecimento por têmpera é geralmente aplicável a algumas ligas ferrosas, mas não às ligas de cobre.

Recozimento por difusão de semicondutores

Na indústria de semicondutores , wafers de silício são recozidos, de modo que átomos dopantes , geralmente boro , fósforo ou arsênico , podem se difundir em posições substitucionais na estrutura cristalina, resultando em mudanças drásticas nas propriedades elétricas do material semicondutor.

Ciclos especializados

Normalização

A normalização é um processo de recozimento aplicado a ligas ferrosas para dar ao material uma estrutura de granulação fina uniforme e evitar o amolecimento excessivo no aço. Envolve o aquecimento do aço a 20–50 ° C acima de seu ponto crítico superior, deixando-o de molho por um curto período nessa temperatura e permitindo que ele resfrie ao ar. O aquecimento do aço logo acima de seu ponto crítico superior cria grãos austeníticos (muito menores do que os grãos ferríticos anteriores), que durante o resfriamento, formam novos grãos ferríticos com um tamanho de grão mais refinado. O processo produz um material mais resistente e dúctil e elimina os grãos colunares e a segregação dendrítica que às vezes ocorre durante a fundição. A normalização melhora a usinabilidade de um componente e fornece estabilidade dimensional se submetido a outros processos de tratamento térmico.

Recozimento de processo

O recozimento de processo, também chamado de recozimento intermediário , recozimento subcrítico ou recozimento em processo , é um ciclo de tratamento térmico que restaura parte da ductilidade de um produto que está sendo trabalhado a frio para que possa ser trabalhado a frio sem quebrar.

A faixa de temperatura para o recozimento do processo varia de 260 ° C (500 ° F) a 760 ° C (1400 ° F), dependendo da liga em questão. Este processo é adequado principalmente para aço com baixo teor de carbono. O material é aquecido até uma temperatura logo abaixo da temperatura crítica inferior do aço. O aço trabalhado a frio normalmente tende a possuir dureza aumentada e ductilidade diminuída, tornando-o difícil de trabalhar. O recozimento do processo tende a melhorar essas características. Isso é realizado principalmente em aço laminado a frio, como aço trefilado, tubo de ferro fundido centrifugamente, etc.

Recozimento completo

Faixas de temperatura de recozimento completas

Um recozimento completo normalmente resulta no segundo estado mais dúctil que um metal pode assumir para uma liga metálica. Seu objetivo é originar uma microestrutura uniforme e estável que mais se assemelhe à microestrutura de equilíbrio do diagrama de fases do metal, permitindo assim que o metal atinja níveis relativamente baixos de dureza, resistência ao escoamento e resistência final com alta plasticidade e tenacidade. Para realizar um recozimento completo em um aço, por exemplo, o aço é aquecido ligeiramente acima da temperatura austenítica e mantido por tempo suficiente para permitir que o material forme completamente a estrutura de grão de austenita ou austenita-cementita. O material é então deixado esfriar muito lentamente para que a microestrutura de equilíbrio seja obtida. Na maioria dos casos, isso significa que o material pode ser resfriado no forno (o forno é desligado e o aço é deixado resfriar por dentro), mas em alguns casos é resfriado a ar. A taxa de resfriamento do aço deve ser suficientemente lenta para não permitir que a austenita se transforme em bainita ou martensita , mas sim que ela se transforme completamente em perlita e ferrita ou cementita . Isso significa que os aços que são muito endurecíveis (ou seja, tendem a formar martensita sob taxas de resfriamento moderadamente baixas) precisam ser resfriados no forno. Os detalhes do processo dependem do tipo de metal e da liga precisa envolvida. Em qualquer caso, o resultado é um material mais dúctil, mas com menor resistência ao escoamento e menor resistência à tração . Este processo também é chamado de recozimento LP para perlita lamelar na indústria do aço, em oposição ao recozimento de processo , que não especifica uma microestrutura e tem apenas o objetivo de amaciar o material. Freqüentemente, o material a ser usinado é recozido e, em seguida, sujeito a tratamento térmico adicional para atingir as propriedades finais desejadas.

Recozimento de ciclo curto

O recozimento de ciclo curto é usado para transformar ferrita normal em ferrita maleável. Consiste em aquecer, resfriar e aquecer novamente de 4 a 8 horas.

Aquecimento resistivo

O aquecimento resistivo pode ser usado para recozer fios de cobre de maneira eficiente ; o sistema de aquecimento emprega um curto-circuito elétrico controlado . Pode ser vantajoso porque não requer um forno regulado por temperatura como outros métodos de recozimento.

O processo consiste em duas polias condutoras ( polias escalonadas ), pelas quais o fio passa após ser tracionado. As duas polias têm um potencial elétrico através delas, o que faz com que o fio forme um curto-circuito. O efeito Joule faz com que a temperatura do fio aumente para aproximadamente 400 ° C. Essa temperatura é afetada pela velocidade de rotação das polias, pela temperatura ambiente e pela tensão aplicada. Onde t é a temperatura do fio, K é uma constante, V é a tensão aplicada, r é o número de rotações das polias por minuto e t a é a temperatura ambiente ,

.

A constante K depende do diâmetro das polias e da resistividade do cobre.

Apenas em termos da temperatura do fio de cobre, um aumento na velocidade do fio através do sistema de polias tem o mesmo efeito que uma diminuição na resistência.

Veja também

Referências

Leitura adicional

  • Tese de Licenciatura, Fabricação de Cabos e Ensaios de Uso Geral e Energia . Jorge Luis Pedraz (1994), UNI, Files, Peru.
  • "Recozimento dinâmico do fio de cobre usando um curto-circuito controlado." Jorge Luis Pedraz (1999), Peru: Lima, CONIMERA 1999, INTERCON 99,

links externos