Recristalização por recozimento - Um guia completo

1 a 10% da energia colocada no trabalho a frio fica na microestrutura do aço como tensão interna. Essa energia é armazenada principalmente nos grãos esmagados e esticados. Este artigo fala sobre como o recozimento de recristalização restaura a estrutura original e tira as tensões. Também fala sobre as diferenças entre recristalização, alívio de tensão e normalização, e apresenta informações úteis para escolher a temperatura de recozimento de recristalização.

Os produtos de aço entregues na condição de recozimento de recristalização são marcados com +RA.

Recozimento de recristalização - Transformações e finalidade

O recozimento de recristalização (ou simplesmente recristalização) é aplicado a uma liga que já passou por trabalho a frio (forjamento a frio, laminação a frio, trefilagem a frio, estampagem a frio, etc.). O objetivo da recristalização é eliminar os efeitos do endurecimento por deformação, substituindo a estrutura deformada e endurecida por uma estrutura uniforme e macia, geralmente de grão fino. Durante o processo, o metal deformado é aquecido a uma temperatura ligeiramente acima da temperatura de recristalização, mantido nessa temperatura e arrefecido a qualquer velocidade.

Ao contrário do recozimento para alívio de tensões, a recristalização permite um maior trabalho a frio.

Em comparação com o recozimento de normalização, a recristalização é mais rápida e mais barata, pois não requer aquecimento acima da temperatura de austenitização.

O recozimento de recristalização é usado como um tratamento intermediário durante:

• laminação a frio de chapas metálicas
• trefilagem a frio de fios/barras
• estampagem profunda de produtos semiacabados a frio

Transformações durante o trabalho a frio. O trabalho a frio altera significativamente as propriedades mecânicas da liga. A estrutura cristalina fica deformada e os grãos individuais que eram aproximadamente poligonais alongam-se e parecem fusos. À medida que a deformação aumenta, a dureza e a resistência à tração aumentam, enquanto a ductilidade diminui, tornando impossível o processamento posterior. Por exemplo, o fio de aço macio trefilado a frio fica tão duro após algumas passagens que se rompe se for trefilado novamente. Efeitos semelhantes ocorrem durante a estampagem profunda de chapas de aço ou liga de níquel.

Transformações durante o recozimento de recristalização. O trabalho a frio causa deformação plástica direta em alguns grãos. Outros permanecem sem deformação, mas desenvolvem tensões internas devido às interações entre os grãos. O estado de tensão não é uniforme e depende da orientação dos grãos em relação ao deslizamento. A primeira fase do recozimento de recristalização, chamada de recuperação, alivia a tensão nos grãos que não sofreram deformação plástica. O aquecimento adicional reduz a tensão nos grãos previamente deformados. Os movimentos de deslocamento resultam em poligonização, dividindo os grãos em vários blocos.

A entrada contínua de calor leva à verdadeira recristalização (também chamada de recristalização primária). Em áreas de alta energia armazenada, formam-se núcleos de novos grãos. A resistência e a dureza da liga diminuem, a ductilidade aumenta e a estrutura deformada é substituída por novos grãos de tamanho quase uniforme. Esses grãos são pequenos em volume, mas têm uma área de superfície relativamente grande devido às bordas irregulares. A termodinâmica impulsiona o crescimento e a coalescência dos grãos, endireitando as fronteiras e alinhando os ângulos entre elas a 120° (o que minimiza a energia livre da superfície), portanto, a entrada contínua de calor leva ao crescimento dos grãos, também chamado de recristalização secundária.

A recristalização secundária reduz ainda mais as propriedades mecânicas e muitas vezes piora a formabilidade. Assim, o objetivo do recozimento de recristalização é geralmente a recristalização primária sem crescimento excessivo dos grãos.

Fase	Tensões internas	Resistência	Formabilidade	Fragilidade	Grãos
Recuperação	Alto	Alto	Baixo	Alto	Grãos deformados e fibrosos
Poligonização	Médio	Alto	Baixo	Médio	Grãos deformados e fibrosos
Recristalização (Primária)	Nenhum	Médio	Boa	Baixo	Grãos pequenos primários
Crescimento dos grãos (Recristalização secundária)	Nenhum	Baixo	Médio	Médio	Grãos primários grandes grãos

Tabela 1 – alterações selecionadas nas propriedades do aço durante o recozimento de recristalização

Fatores que determinam a recristalização

O crescimento dos grãos durante o recozimento de recristalização depende de vários fatores:

• Composição química – ligas inoxidáveis e resistentes ao calor precisam de uma temperatura mais alta
• Temperatura – quanto mais alta a temperatura, maior o crescimento dos grãos.
• Tempo de aquecimento
• Deformação

Composição química – em ligas inoxidáveis e resistentes ao calor, a recristalização acontece a uma temperatura mais alta do que em metais puros. Esse é um fator muito importante.

Temperatura de recristalização – quanto mais alta a temperatura, maior o crescimento dos grãos e menor o tempo necessário para atingir o tamanho ideal a uma determinada temperatura. A temperatura mínima prática na qual ocorre a recristalização é chamada de temperatura de recristalização ou temperatura de recristalização primária. Abaixo dessa temperatura, a recristalização não ocorre. A temperatura de recristalização NÃO é constante e depende da quantidade de deformação.

Deformação – quanto maior a deformação, menor o tamanho do grão e mais baixa a temperatura de recristalização. Um alto grau de deformação plástica a frio é geralmente benéfico para a recristalização. Sem deformação, a recristalização não ocorre. Com baixa deformação, grãos grandes indesejáveis se formam muito rapidamente. Essa quantidade de deformação é chamada de deformação crítica e pode ser evitada simplesmente aumentando ligeiramente o grau de deformação. Essa relação não é linear – para muitos aços, uma deformação de 10% é crítica (e não recomendada), enquanto uma deformação de 20% é totalmente aceitável.

É claro que uma deformação excessiva pode levar à destruição física do produto semiacabado. Portanto, ao fabricar tiras laminadas a frio ou fios trefilados a frio, são usados os seguintes parâmetros:

• Deformação crítica – a deformação mínima absoluta necessária para iniciar o recozimento de recristalização.
• Deformação parcial permitida entre as fases de recozimento de recristalização.
• Deformação total permitida – ou seja, a deformação máxima em todo o processo de produção que não requer recozimento total.

Exemplo – para fios de aço com 0,07% de C e 85% de deformação, a faixa de temperatura de recristalização primária é de 500 a 550 °C, enquanto a recristalização secundária termina em torno de 650 °C. Após o recozimento a essa temperatura, o fio atinge propriedades quase iguais às que tinha no estado não deformado.

Tempo de aquecimento – quanto mais longo for o tempo de aquecimento, maior será o crescimento do grão, mas esse crescimento é limitado pela temperatura. Um ponto importante é que o grão começa a crescer em poucos minutos e atinge o seu tamanho máximo (possível a uma determinada temperatura) em poucas horas. O aquecimento adicional não causa crescimento adicional do grão, a menos que seja aquecido por muitos dias. Tradicionalmente, o grão fino era obtido por várias horas de imersão a uma temperatura ligeiramente acima da temperatura de recristalização em fornos de campânula. Para otimizar os custos, foram desenvolvidos métodos de imersão contínua, nos quais a liga é recozida a uma temperatura muito mais alta, mas também por um tempo muito mais curto. Obter o grão desejado com esse método requer alta precisão e conhecimento especializado.

Fatores secundários que afetam a temperatura de recristalização – a temperatura de recristalização é mais baixa quanto mais baixa for a temperatura de trabalho plástico a frio e quanto menor for o tamanho do grão cristalino antes do trabalho a frio.

Recristalização por recozimento no processo técnico

O recozimento de recristalização no processo tecnológico pode ter as seguintes funções:

Recozimento interoperacional, usado durante o trabalho a frio, quando o material que está a ser processado não pode mais ser trabalhado sem o risco de danificá-lo.

Recozimento preliminar, usado para aços com alto teor de carbono antes da trefilagem a frio combinada com patenteamento.

Recozimento final, usado para obter fios, chapas ou outro produto semiacabado com baixa dureza após a conclusão do trabalho a frio.

Recristalização de tiras laminadas a frio

O recozimento amolece o produto, enquanto a deformação o fortalece. A sequência desses tratamentos pode alternar para atingir diferentes níveis de dureza final. Vamos ilustrar isso comparando três sequências para tiras laminadas a frio:

A sequência para obter uma tira macia e escura:

1. Decapagem
2. Primeira deformação
3. Corte
4. Segunda deformação
5. Limpeza
6. Recozimento de recristalização
7. Inspeção

A sequência para obter uma tira meio macia, limpa duas vezes, levemente laminada após o último recozimento:

1. Decapagem
2. Primeira deformação
3. Segunda deformação, exceto a passagem final
4. Primeira limpeza
5. Segunda limpeza
6. Recozimento de recristalização
7. Corte
8. Passagem final de laminação
9. Inspeção

A sequência para obter uma tira dura:

1. Decapagem
2. Primeira deformação
3. Corte
4. Recozimento de recristalização
5. Segunda deformação
6. Inspeção

Fornos para recristalização e recozimento de produtos laminados

O recozimento de recristalização é feito em fornos de campânula ou usando recozimento contínuo.

O recozimento em fornos de campânula é um método tradicional e ainda é muito usado. Várias bobinas bem enroladas de chapas, fios ou tiras são empilhadas no forno, uma em cima da outra, com o eixo da bobina na posição vertical. O forno tem uma atmosfera protetora com circulação forçada, o que facilita a transferência de calor entre a tampa do forno e a carga. Hoje em dia, o hidrogénio é comumente usado como atmosfera protetora; anteriormente, era usada uma mistura de 95% de azoto e 5% de hidrogénio. A tira recozida em hidrogénio tem uma superfície mais limpa e propriedades mecânicas mais uniformes. O aço é aquecido a uma temperatura ligeiramente acima da temperatura de recristalização, mantido nessa temperatura por um dia e, em seguida, arrefecido ao longo de vários dias juntamente com o forno. Os produtos de aço laminado estanhado recozidos em fornos de campânula são marcados com o símbolo TS (por exemplo, TS550 refere-se ao aço recozido num forno de campânula com uma resistência nominal à deformação de 550). Os aços macios são recozidos usando este método (muitos a 700 °C).

O recozimento contínuo leva apenas alguns minutos e normalmente inclui as seguintes etapas:

• Aquecimento da tira a 800 °C
• Maceracão a essa temperatura por cerca de 2 minutos
• Arrefecimento lento por 30 segundos até aproximadamente 700 °C
• Arrefecimento rápido até 400 °C
• Envelhecimento a 400–350 °C por 6 minutos
• Arrefecimento lento durante 30 segundos até 300 °C
• Arrefecimento rápido até à temperatura ambiente

O recozimento contínuo utiliza fluxos de misturas de hidrogénio-azoto, água quente e fria, névoa de água, rolos quentes, etc. Os produtos de aço laminado estanhado recozidos utilizando o método contínuo são marcados com o símbolo TH. Os parâmetros do recozimento contínuo dependem muito do tipo de aço. As tiras de aço macio são recozidas a 650–850 °C para obter a melhor formabilidade. Os processos modernos de recozimento contínuo permitem o envelhecimento a 350–450 °C após o recozimento para melhorar ainda mais a formabilidade.

Recristalização por recozimento de aços resistentes à corrosão

O recozimento de recristalização também é usado para aços ferríticos, ferrítico-martensíticos e martensíticos resistentes à corrosão, por exemplo, na produção de fios. Os aços austeníticos resistentes à corrosão são submetidos a recozimento em solução. Todos os aços inoxidáveis ao crómio apresentam uma deformação crítica, após a qual o recozimento de recristalização causa um crescimento significativo dos grãos. Abaixo estão alguns parâmetros de exemplo para a produção de fios de aço resistentes à corrosão:

• Aços ferríticos resistentes à corrosão
  • Deformação crítica: 15%
  • Deformação parcial permitida: 27%
  • Deformação total permitida: 95%
  • Temperatura de recozimento: 800 °C, arrefecimento rápido
• Aços ferrítico-martensíticos resistentes à corrosão
  • Deformação crítica: 12%
  • Deformação parcial permitida: 24%
  • Deformação total permitida: 80%
  • Temperatura de recozimento: 750 °C, arrefecimento no permutador de calor
• Aços martensíticos resistentes à corrosão
  • Deformação crítica: 10%
  • Deformação parcial permitida: 20%
  • Deformação total permitida: 60%
  • Temperatura de recozimento: 750 °C, arrefecimento com forno

Recristalização por recozimento de aços ferríticos resistentes ao calor

No passado, os aços resistentes ao calor eram submetidos a trefilação a quente, o que permitia uma maior deformação (até 35%), mas reduzia a resistência ao calor. Atualmente, a trefilação a frio e o tratamento térmico são usados para produzir produtos de aço resistentes ao calor. A recristalização por recozimento é aplicada a aços ferríticos resistentes ao calor. Os aços austeníticos resistentes ao calor passam por recozimento em solução. Abaixo estão alguns exemplos de parâmetros de recozimento por recristalização para a produção de fios de aço resistentes ao calor.

• Aço resistente ao calor H5M
  • Deformação crítica: 10%
  • Deformação parcial permitida: 28%
  • Deformação total permitida: 75%
  • Temperatura de recozimento: 680 °C, arrefecimento em permutador de calor
• Aço resistente ao calor H6S2
  • Deformação crítica: 15%
  • Deformação parcial admissível: 24%
  • Deformação total admissível: 50%
  • Temperatura de recozimento: 800 °C, arrefecimento a ar
• Aços resistentes ao calor H13JS, H18JS, H24JS
  • Deformação crítica: 18%
  • Deformação parcial admissível: 22%
  • Deformação total permitida: 60%
  • Temperatura de recozimento: 850 °C, arrefecimento a ar
• Aço resistente ao calor H25T
  • Deformação crítica: 20%
  • Deformação parcial permitida: 22%
  • Deformação total permitida: 50%
  • Temperatura de recozimento: 750 °C, arrefecimento a ar

Recozimento suave de ligas de níquel

As ligas de níquel de alta temperatura são geralmente mais trabalhadas a frio do que a quente, especialmente no caso de chapas e placas. Como regra geral, entre as operações de trabalho a frio ou após esse processamento, é necessário um recozimento de recristalização para restaurar a estrutura granular e amolecer o material. Na literatura, o termo «recozimento de recristalização» raramente é usado neste contexto, sendo preferidos «recozimento intermédio», «recozimento suave» ou simplesmente «recozimento». Isso pode ser devido ao facto de as ligas de níquel apresentarem apenas uma estrutura austenítica, não haver transformação alotrópica e não haver necessidade de distinguir o recozimento de recristalização como um processo que leva à recristalização sem uma mudança de fase alotrópica. No entanto, devido à ocorrência de recristalização, sua dependência da deformação e seu papel no processo tecnológico, o termo “recozimento de recristalização” é apropriado.

Temperaturas de recozimento intermediárias para ligas de níquel selecionadas:

• Haynes HR-160®: 1066°C
• NIMONIC® 75: 1050°C
• NIMONIC® Liga 90: 1040°C
• Inconel® 601: 1000–1100°C

O tratamento térmico das ligas de níquel é discutido com mais detalhes em este artigo.

Recristalização e recozimento de outros metais

A temperatura absoluta aproximada de recristalização primária é geralmente 0,4–0,6 da temperatura absoluta de fusão (ambas na escala Kelvin) e, para os metais mais importantes do ponto de vista técnico, é a seguinte:

• prata: recristalização 175 °C, fusão 960 °C
• alumínio: recristalização 150 °C, fusão 660 °C
• ouro: recristalização 200 °C, fusão 1063 °C
• cádmio: recristalização ~20 °C, fusão 321 °C
• cobalto: recristalização 550 °C, fusão 1490 °C
• cobre: recristalização 200 °C, fusão 1083 °C
• ferro: recristalização 450 °C, fusão 1528 °C
• magnésio: recristalização 150 °C, fusão 650 °C
• molibdénio: recristalização 530 °C, fusão 2620 °C
• níquel: recristalização 530 °C, fusão 1452 °C
• chumbo: recristalização <20 °C, fusão 327 °C
• platina: recristalização 450 °C, fusão 1773 °C
• estanho: recristalização <20 °C, fusão 232 °C
• tungsténio: recristalização 1200 °C, fusão 3370 °C
• zinco: recristalização ~20 °C, fusão 420 °C