tabela de cores do tratamento térmico do aço

Por que o aço muda de cor quando aquecido?

As alterações de cor observadas quando o aço é aquecido resultam de dois fenômenos físicos distintos, dependendo da faixa de temperatura: incandescência em altas temperaturas e interferência de película fina em temperaturas mais baixas.

Em temperaturas elevadas, as moléculas do aço vibram intensamente em torno de seus pontos de rede cristalina. À medida que essa energia térmica se acumula, o aço irradia energia eletromagnética como luz visível, um processo conhecido como incandescência. A física da radiação de corpo negro mostra que, à medida que a temperatura de um corpo aquecido aumenta, a intensidade geral da luz emitida aumenta e sua intensidade de pico se desloca para comprimentos de onda mais curtos e de maior energia. Como o olho humano detecta primeiro a luz no espectro vermelho de comprimento de onda mais longo, o aço aquecido primeiro brilha em um vermelho fraco e opaco. À medida que a temperatura sobe, comprimentos de onda mais curtos de laranja e depois amarelo são emitidos em intensidades mais altas; eventualmente, quando o aço está quente o suficiente para emitir comprimentos de onda verdes e azuis, a mistura de todas as cores visíveis faz a luz parecer branca.

Em temperaturas mais baixas, tipicamente abaixo de 700°F (371°C), antes de o aço começar a brilhar, as mudanças de cor são causadas por oxidação superficial controlada, e não por incandescência. Quando o aço limpo e brilhante é aquecido em uma atmosfera oxidante, o oxigênio reage com o ferro da superfície para formar um filme microscópico de óxido de ferro. A luz que atinge essa camada fina e semitransparente de óxido é parcialmente refletida no topo do filme e parcialmente penetra nele, refletindo-se então no metal subjacente. Esses dois conjuntos de ondas de luz refletidas interferem e, dependendo da espessura precisa do filme de óxido, certos comprimentos de onda são cancelados enquanto outros são reforçados. Essa interferência produz as cores vibrantes e distintas vistas no aço temperado; à medida que o tempo e a temperatura de aquecimento aumentam, o filme de óxido se espessa e as cores de interferência mudam progressivamente por uma faixa bem definida de amarelos, marrons, roxos e azuis.

Cores de forjamento e têmpera por calor

Níveis de temperatura para várias cores de calor

Fonte: Bethlehem Steel Corp., 1936

Leitura da cor do calor durante a forjagem e austenitização

Durante séculos, os ferreiros confiaram no brilho visual do aço quente para avaliar a temperatura durante forjamento e austenitização, o processo de aquecimento do aço até que sua estrutura se transforme completamente em austenita antes da têmpera. Na faixa de vermelho opaco a vermelho tênue, aproximadamente 752°F a 1.292°F (400°C a 700°C), o aço mostra os primeiros sinais de incandescência visível; um vermelho tênue é visível em uma sala escurecida em torno de 750°F, enquanto um vermelho opaco distinto aparece mais próximo de 1.100°F a 1.292°F. À medida que a cor muda para vermelho vivo ou vermelho cereja, em torno de 1.300°F a 1.472°F (704°C a 800°C), o aço entra na faixa crítica de endurecimento para aços para ferramentas de carbono simples, que normalmente exigem têmpera a partir de cerca de 1.350°F a 1.550°F. Laranja e laranja vivo, aproximadamente 1.450°F a 1.652°F (788°C a 900°C), marcam a faixa padrão de endurecimento para muitos aços para ferramentas ligados, que exigem temperaturas mais altas para dissolver completamente os elementos de liga na matriz austenítica. Acima de 1.740°F, o aço brilha em amarelo-limão a amarelo claro, e essa faixa é onde o forjamento pesado normalmente começa para aços para ferramentas de trabalho a quente e aços rápidos. No extremo, branco ou branco brilhante, aproximadamente 2.012°F a 2.552°F (1.100°C a 1.400°C), é onde os aços rápidos são geralmente austenitizados, tipicamente entre 2.250°F e 2.400°F, para dissolver carbonetos de liga altamente estáveis antes da têmpera.

Para distribuidores e compradores que buscam fornecedores D2, H13 ou A2 a granel, essa faixa de cor importa menos para julgar seu próprio forno do que para entender por que a temperaturas de austenitização diferem tanto entre os graus. A diferença entre o aço carbono comum e o aço rápido branco-quente não é uma nota técnica menor; é por isso que dois aços para ferramentas que parecem semelhantes em um certificado podem exigir equipamentos e controle de tratamento térmico completamente diferentes no lado do cliente.

Por que a percepção de cores varia de acordo com a qualidade do aço?

Um tratador térmico não pode assumir que uma determinada cor representa a mesma temperatura em todos os graus de aço, e vários fatores metalúrgicos explicam por quê. A luz emitida pelo aço quente nunca é radiação de corpo negro perfeita. Sua intensidade é modificada pela emissividade espectral do material, a razão entre a radiação emitida pela superfície do aço e a de um radiador de cavidade ideal na mesma temperatura, e a emissividade é altamente sensível a filmes superficiais e oxidação. Diferentes composições químicas de aço também oxidam a taxas muito diferentes em alta temperatura. Aços altamente ligados, como os graus inoxidáveis com alto teor de cromo, resistem à oxidação e não formam carepa ou filmes como os aços de carbono simples; essa diferença na formação de filme de óxido afeta diretamente o brilho e a tonalidade percebidos em uma dada temperatura real, razão pela qual uma tabela de cores padrão para aço carbono não pode ser lida da mesma forma contra um grau inoxidável ou de alta liga. Certos graus de aço também carregam limites térmicos estritos vinculados à sua composição química. Aços de cadinho tradicionais, por exemplo, podem conter uma fase eutética ternária de austenita, cementita e fosfeto de ferro conhecida como steadita, que funde a apenas cerca de 1.770°F (966°C), e os ferreiros que trabalhavam com esses aços tinham que ler o brilho vermelho com real cautela, pois deixar o aço atingir um laranja-amarelo vivo poderia fundir a steadita dentro do lingote e causar fragilidade a quente, uma fragilidade extrema em alta temperatura que quebra o lingote sob o martelo.

É também por isso que a Aobo Steel fornece aço para ferramentas recozido com certificados de ensaio de usina em vez de pedir aos clientes que confiem no julgamento visual para operações críticas. A composição química varia o suficiente entre graus, e até entre corridas do mesmo grau, que a cor sozinha não pode substituir um processo documentado.

Cores de temperamento e o que elas indicam

Níveis de temperatura para diferentes cores de têmpera.

Fonte: Bethlehem Steel Corp., 1936

Correspondência entre a cor da têmpera e a dureza e tenacidade.

Revenimento é um tratamento térmico subcrítico realizado após o endurecimento por têmpera para reduzir a fragilidade, aliviar tensões internas e restaurar a tenacidade. Quando o aço é revenido ao ar, a cor do óxido que se desenvolve em uma superfície polida há muito serve como guia visual da temperatura atingida e, consequentemente, do equilíbrio resultante entre dureza e tenacidade. Uma cor amarelo-palha ou amarelo pálido, em torno de 430°F (220°C), indica um filme de óxido muito fino e corresponde ao aço mantendo-se próximo de sua dureza máxima atingível, tipicamente 60 a 64 HRC, com baixa tenacidade; este é o revenimento comumente associado a limas, cortadores de papel e ferramentas de corte de aço que precisam de resistência ao desgaste extrema e fio afiado. Uma cor palha escura ou dourada, aproximadamente 460°F a 490°F (238°C a 254°C), indica uma camada de óxido ligeiramente mais espessa, com dureza ligeiramente reduzida e tenacidade melhorada; essa faixa é comumente associada a punções, matrizes, lâminas de tesoura e cinzéis de corte a frio que precisam suportar impacto moderado sem lascamento. Roxo ou marrom-arroxeado, em torno de 520°F a 540°F (271°C a 282°C), reflete um filme de óxido mais espesso, com a dureza caindo ainda mais enquanto a ductilidade e a tenacidade aumentam; esse equilíbrio é frequentemente usado para ferramentas de marcenaria, machados, instrumentos cirúrgicos e ferramentas de prensa. Azul ou azul escuro, aproximadamente 560°F a 600°F (293°C a 316°C), indica uma camada de óxido espessa e densa e dureza significativamente reduzida em troca de máxima elasticidade e resistência ao choque, razão pela qual essa cor está intimamente associada a chaves de fenda, serras para madeira e molas — frequentemente descrita como revenimento de mola.

Para compradores que associam uma cor de revenimento alvo a um grau específico da Aobo Steel, verifique a faixa de dureza de trabalho listada no guia do grau correspondente, pois a mesma cor de revenimento pode corresponder a uma dureza visivelmente diferente dependendo do teor de liga.

Aviso crítico: Fragilidade azul e fragilização da martensita revenida.

Embora a cor azul sinalize tenacidade máxima para molas de aço carbono, aquecer aços de carbono simples e alguns aços ligados nessa faixa de calor azul, tipicamente 450°F a 700°F (230°C a 370°C), pode desencadear fragilidade azul, uma forma acelerada de fragilização por envelhecimento sob deformação na qual átomos de carbono se segregam e ancoram discordâncias, causando uma queda súbita e inesperada na ductilidade e na tenacidade ao impacto com entalhe. Aços ligados de alta resistência revenidos nessa mesma faixa também são altamente suscetíveis à fragilização da martensita revenida, uma forma severa de fragilização em uma etapa. Por essa razão, peças estruturais de alta resistência e ferramentas críticas são rigorosamente revenidas bem abaixo ou bem acima dessa faixa de calor azul, nunca dentro dela.

Erros comuns ao avaliar a cor da pele apenas pela observação

O revenimento por cor é uma técnica consagrada pelo tempo, mas o julgamento visual está sujeito a erros graves quando se ignoram alguns fatores críticos. A cor do óxido só se forma corretamente em aço polido até o metal completamente nu e brilhante, e qualquer resíduo de óleo, umidade, ferrugem, carepa ou mesmo uma impressão digital impede o contato uniforme com o oxigênio, produzindo coloração distorcida, irregular ou totalmente incorreta. O crescimento do filme de óxido é também uma reação controlada por difusão que depende tanto da temperatura quanto do tempo, de modo que uma determinada cor nunca representa uma única temperatura — representa uma exposição térmica; uma tabela de cores padrão mostra a formação de púrpura profundo após manter o aço a 450°F por uma hora completa, mas o aquecimento rápido com maçarico mantido por apenas oito minutos exige uma temperatura muito mais alta, cerca de 640°F, para desenvolver esse mesmo púrpura, razão pela qual o revenimento rápido por cor com maçarico frequentemente resulta em revenimento insuficiente ou excessivo grave. As tabelas de temperatura por cor também são calibradas estritamente para aços carbono comuns, e aplicá-las a graus altamente ligados ou inoxidáveis causa problemas reais, pois esses aços resistem à oxidação muito mais fortemente; se um tratador térmico aquecer um aço ligado ou inoxidável até que ele fique amarelo palha, a temperatura real do metal será significativamente mais alta do que a tabela para aço carbono sugere, resultando em revenimento excessivo grave e amolecimento excessivo da ferramenta. Por fim, a cor do óxido superficial é um fenômeno puramente superficial, e como o aço tem baixa condutividade térmica, seções mais pesadas estão sujeitas a um pronunciado efeito de massa em que o interior aquece muito mais lentamente que o exterior; se uma seção espessa for aquecida rapidamente até que a superfície apresente azul, o núcleo da ferramenta pode ainda estar frio e completamente sem revenimento, deixando o interior em estado altamente tensionado, frágil e propenso a trincas.

Limitações da avaliação de temperatura baseada em cores

Depender da cor é simples e não requer equipamento, mas suas limitações são graves o suficiente para torná-la inadequada ao tratamento térmico industrial moderno de alta precisão. A percepção de um metal incandescente ou de uma cor de óxido superficial depende fortemente da iluminação ambiente; um brilho vermelho tênue facilmente visível em uma sala escurecida em torno de 750°F é completamente invisível à luz do dia, onde é necessária uma temperatura acima de 1.000°F antes que qualquer brilho possa ser detectado, e ferreiros que não controlam a iluminação da oficina rotineiramente julgam mal as temperaturas em várias centenas de graus. A estimativa visual é também inerentemente subjetiva e varia de pessoa para pessoa com base na experiência, idade e acuidade visual — mesmo o julgamento de um operador experiente pode mudar com a fadiga ocular ou mudanças sutis na luz. O julgamento é também cego a danos subsuperficiais ocultos; durante a retificação, por exemplo, taxas de avanço excessivas podem gerar calor de atrito localizado que excede a temperatura de revenimento, classicamente revelado como cores de revenimento azuis na superfície, mas um passe de acabamento leve pode retificar cosmeticamente essa camada descolorida enquanto o dano estrutural subjacente, que pode incluir revenimento excessivo grave ou reaustenitização localizada seguida de resfriamento rápido em martensita frágil não revenida, permanece completamente invisível aos olhos. A cor também não carrega informação sobre o tempo de permanência; alcançar as propriedades mecânicas pretendidas requer manter o aço na temperatura por tempo suficiente para que a microestrutura se transforme completamente, e o aquecimento baseado em cor, especialmente com maçarico, não oferece controle sobre esse tempo de permanência, frequentemente deixando o núcleo de uma peça estruturalmente subtratado mesmo quando a superfície apresenta a cor correta.

É precisamente por isso que as instalações modernas de tratamento térmico substituíram em grande parte o julgamento baseado em cor por termopares calibrados, lápis indicadores de temperatura e pirômetros infravermelhos, e por isso a Aobo Steel respalda cada remessa com certificados de ensaio de usina e dados documentados de composição química e dureza, em vez de depender apenas da inspeção visual.

Recursos relacionados ao tratamento térmico

Para parâmetros de tratamento térmico por grau específico, incluindo temperatura de austenitização, método de têmpera e dureza de trabalho, consulte o Centro Técnico de Tratamento Térmico de Aços para Ferramentas. Guias específicos por grau cobrindo D2, A2, O1, H13 e outros aços para ferramentas comuns estão disponíveis lá, cada um com a faixa de processo e os fatores de risco relevantes para essa liga. Para conversões entre as escalas de dureza HRC, HV e HB, consulte o Calculadora de conversão de dureza, e para as temperaturas de amolecimento usadas antes da usinagem, consulte a tabela de temperaturas de recozimento e normalização.

Perguntas frequentes