TRATAMENTOS SUPERFICIAIS TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS

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1 TRATAMENTOS SUPERFICIAIS E TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS Aulas 14, 15 e 16 1 TRATAMENTOS SUPERFICIAIS Dentes de engrenagem temperadas por indução 2 1

2 TRATAMENTOS SUPERFICIAIS OBJETIVO Endurecimento superficial do aço visando aumentar a resistência ao desgaste e à abrasão da superfície 3 MÉTODOS DE ENDURECIMENTO SUPERFICIAL Encruamento mecânico da superfície A dureza e a resistência dependem da intensidade do encruamento Tratamento químico da superfície (cromagem eletrolítica dura, siliconização) Tratamentos termoquímicos da superfície (cementação, nitretação, cianetação,...) revestimento de ferramentas Têmpera superficial 4 2

3 1- TÊMPERA SUPERFICIAL A têmpera é realizada somente na superfície A superfície adquire propriedades e características da estrutura martensítica ** A casca endurecida pode ter até 10 mm, dependendo do processo. 5 VANTAGENS DA TÊMPERA SUPERFICIAL Aplica-se à peças de grandes dimensões (engrenagens de 2-3 m) Permite o endurecimento em áreas localizadas Pode ser usado quando a geometria da peça ocasionar grandes deformações Permite obter a combinação de altas resistências ao desgaste e dureza na superfície, com ductilidade e tenacidade no núcleo da peça Não exige fornos de aquecimento É rápida (pode ser aplicada na oficina) Não produz grandes oxidações e descarbonetações no aço. 6 3

4 PROCESSOS USUAIS DE TÊMPERA SUPERFICIAL Por chama Por indução Por laser Por feixe eletrônico TÊMPERA POR CHAMA A superfície é aquecida, acima da temperatura crítica ( C) por meio de uma chama de oxi-acetilênica resfriamento é feito por meio de um jato de água Depois faz-se um revenido para o alívio de tensões 8 4

5 Equipamentos Pode ser feita manualmente ou com dispositivos especiais, com controle óptico de temperatura 9 TÊMPERA SUPERFICIAL Uso da chama para tratamento de engrenagem Fonte: A profundidade de endurecimento pode ser aumentada pelo prolongamento do tempo de aquecimento. Podem ser atingidas profundidades de até 6,3 mm. O processo é uma alternativa 10 de tratamento para peças muito grandes, que não caibam em fornos 5

6 A profundidade da camada temperada é controlada pela: intensidade da chama aplicada distância da chama aplicada tempo de duração da chama aplicada 11 para método progressivo giratório Consumo de Oxigênio : Co= 0.7 (p) 1/2 [l/cm 2 ] p= profundidade endurecida em mm Consumo de acetileno: Ca= 0.45 p 1/2 [l/cm 2 ] Tempo de aquecimento 7. p 2 [s] Velocidade de movimento da tocha 72/.p 2 [cm/minuto] 12 6

7 1.2- TÊMPERA POR INDUÇÃO O calor é gerado na peça por indução eletromagnética, utilizando-se bobinas de indução, nas quais flui uma corrente elétrica de alta freqüência. 13 TÊMPERA POR INDUÇÃO Vantagens: Pode-se determinar com precisão a profundidade da camada temperada. O aquecimento é rápido As bobinas podem ser facilmente confeccionadas e adaptadas à forma da peça Não produz o superaquecimento da peça Geralmente, possibilita um maior aumento da dureza e da resistência ao desgaste A resistência a fadiga é também superior Não tem problema de descarbonetação. 14 7

8 TÊMPERA POR INDUÇÃO A quantidade de calor gerada é dada pela lei de Joule: Q= 0,239.i 2. R. t i, é a corrente, em amperes R, é a resistência do condutor, em ohms t, é o tempo que circula a corrente, em segundos 15 A profundidade da camada temperada é controlada pela: Forma da bobina Distância entre a bobina e a peça Freqüência elétrica ( ciclos/s) Tempo de aquecimento 16 8

9 BOBINAS PARA TÊMPERA POR INDUÇÃO Fonte:V. Chiaverini: Aços e Ferros Fundidos 17 Na têmpera por indução, a peça é colocada no interior de uma bobina submetida à passagem de corrente alternada. O campo energiza a peça, provocando seu aquecimento. Dependendo da freqüência e da corrente, a taxa e a profundidade de aquecimento podem ser controladas. Devido a estas características, o processo é indicado para tratamento térmico de superfície. Os detalhes de tratamento são similares ao endurecimento por chama. Fonte: 18 9

10 TÊMPERA POR LASER APLICAÇÃO Usado na têmpera de peças de geometria variadas OBSERVAÇÃO As peças são cobertas com fosfato de zinco ou magnésio para aumentar a absortividade 19 TÊMPERA POR LASER O processo é muito preciso em impor aquecimento seletivo sobre áreas bem específicas. Além disto, o processo pode ser feito em alta velocidade, produzindo pouca distorção. Uso do laser em peça cilíndrica (esq.) e aplicação localizada (dir.) Fonte:

11 TÊMPERA POR LASER VARIÁVEIS QUE CONTROLAM A PROFUNDIDADE DA CAMADA Diâmetro do raio Intensidade Velocidade de varredura (100 polegadas/min.) 21 TÊMPERA POR LASER VANTAGENS O processo opera a altas velocidades A distorção provocada é pequena Pode ser usado para áreas selecionadas Softwares e automação podem ser usados para controlar os parâmetros 22 11

12 TÊMPERA POR FEIXE ELETRÔNICO A fonte de calor é um feixe de elétrons de alta energia É fácil de automatizar O equipamento é caro Opera em alto vácuo 23 O endurecimento por feixe de elétrons é similar ao endurecimento por laser. A fonte de energia é um feixe de elétrons de alta energia. O feixe é manipulado com o uso de espiras eletromagnéticas. O processo pode ser automatizado, mas deve ser conduzido sob condições de vácuo, visto que os feixes de elétrons dissipam-se facillmente no ar. Como no caso do laser, a superfície pode ser endurecida com muita precisão, tanto na profundidade como na posição. TÊMPERA POR FEIXE ELETRÔNICO Uso do feixe mostrando equipamento ( esq.) e detalhe peça e fonte (dir.) Fonte:

13 TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS DE SUPERFÍCIE O endurecimento superficial é causado pela modificação parcial da composição química é alcançada através: Aplicação de calor e de um meio químico 25 TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS DE SUPERFÍCIE CEMENTAÇÃO NITRETAÇÃO CIANETAÇÃO CARBO-NITRETAÇÃO BORETAÇÃO 26 13

14 2.1- CEMENTAÇÃO É o mais empregado e o mais antigo Consiste na introdução de átomos de carbono na superfície da peça (acima da temperatura crítica C - para haver absorção) CEMENTAÇÃO Considerações Gerais A cementação em si não endurece o aço, apenas favorece o endurecimento O processo deve ser seguido de têmpera e revenido para atingir máxima dureza e alta resistência ao desgaste. É aplicável a aços de baixo carbono O teor de carbono na superfície fica acima do eutetóide (0,8-1,0%) O teor de Carbono decresce a medida que se penetra em profundidade na peça (é importante que esse decréscimo seja gradual)

15 A profundidade da cementação depende: Do tempo Da Temperatura Da concentração de carbono inicial no aço (Quanto menor o teor de carbono mais fácil a carbonetação) Natureza do gás de carbonetação ou do agente carbonetante Velocidade do fluxo do gás (se for o caso) 29 A cementação pode ser realizada por quatro processos: Por via gasosa Por via líquida Por via sólida Por plasma 30 15

16 A- CEMENTAÇÃO SÓLIDA OU EM CAIXA Neste processo, as peças de aço são colocadas em caixas metálicas (açoliga resistente ao calor), ficando separadas umas das outras pelo carborizante. 31 AGENTES SÓLIDOS CARBONETANTES Ex: carvão vegetal, mais ativadores (Carbonato de Bário, ou Sódio, ou Potássio) e óleo de linhaça (5-10%) ou óleo comum como aglomerante. Também, pode-se adicionar 20% de coque para aumentar a velocidade de transferência de calor

17 CEMENTAÇÃO SÓLIDA OU EM CAIXA CONSIDERAÇÕES GERAIS A CEMENTAÇÃO SÓLIDA É MUITO RUDIMENTAR E A CAMADA CEMENTADA É MUITO IRREGULAR. Portanto, não é recomendada para a obtenção de camadas muito finas. A cementação sólida é realizada a temperaturas entre C 33 MECANISMO DA CEMENTAÇÃO SÓLIDA 1) C + O 2 CO 2 ( C) O Carbono combina com o oxigênio do ar 2) CO 2 + C 2CO O CO 2 reage com o carvão incandescente 3) 3Fe + 2CO Fe 3 C + CO

18 ATIVADORES A presença do ativador contribui para aumentar a velocidade de formação do CO n 1) BaCO 3 BaO + CO 2 n 2) CO 2 + C 2 CO n 2) 3Fe + 2CO Fe 3 C + CO 2 35 B- CEMENTAÇÃO LÍQUIDA O meio carborizante é composto de sais fundidos NaCN, Ba(CN) 2, KCN,... Como ativador: BaCl 2, MnO 2, NaF e outros. Também faz parte do banho a grafita de baixo teor de Silício para a cobertura do banho A cementação líquida é realizada a temperaturas entre C A profundidade da camada cementada é controlada pela composição do banho 36 18

19 B- CEMENTAÇÃO LÍQUIDA Vantagens do processo: melhora o controle da camada cementada a camada cementada é mais homogênea facilita a operação aumenta a velocidade do processo possibilita operações contínuas em produção seriada dá proteção quanto à oxidação e descarbonetação 37 B- CEMENTAÇÃO LÍQUIDA Cuidados: não deixar faltar cobertura de grafite no banho a exaustão dos fornos deve ser permanente, pois os gases desprendidos são tóxicos, os sais são venenosos e em contato com ácidos desprendem ácido cianídrico as peças devem ser introduzidas no banho secas e limpas

20 C- CEMENTAÇÃO GASOSA O meio carborizante é composto de uma mistura de GASES: [CO2, H 2, N 2 (diluidor), (metano) CH 4, (etano)c 2 H 6, (propano)c 3 H 8,..] 39 C- CEMENTAÇÃO GASOSA Vantagens do processo: a mistura carborizante permanece estável durante toda a cementação possibilita um melhor controle do teor de carbono e consequentemente da camada cementada facilita a cementação de peças delicadas evita a oxidação permite a têmpera direta após a cementação (sem contato com o ar e sem reaquecimento) o processo é limpo (não precisa de limpeza posterior) a penetração do carbono é rápida as deformações por tensões são menores 40 20

21 C- CEMENTAÇÃO GASOSA Desvantagens do processo: a temperatura e a mistura carborizante necessitam rígido controle durante o processo as instalações são complexas e dispendiosas as reações são complexas. 41 D- CEMENTAÇÃO POR PLASMA O plasma é criado por ionização do gás (metano) a baixa pressão. O carbono iônico é transferido para a superfície da peça

22 D- CEMENTAÇÃO POR PLASMA Vantagens do processo: Tempos de processo menores (~30 % do processo à gás) A peça não sofre oxidação, já que o processo é feito sob vácuo Fácil automatização Produz peças de alta qualidade. 43 TRATAMENTOS TÉRMICOS UTILIZADOS APÓS A CEMENTAÇÃO O TT para endurecimento deve levar em conta:o aço e as especificações da peça. Não esquecer que a peça tem duas composições distintas: um núcleo com baixo teor de Carbono (<0,8) e uma superfície com teor de carbono acima do eutetóide (>0,8). Portanto, tem 2 temperaturas críticas: A1 (camada cementada) e A3 (núcleo da peça)

23 A- TÊMPERA DIRETA SIMPLES A PEÇA É TEMPERADA AO AR, DIRETAMENTE A PARTIR DA TEMPERATURA DE CEMENTAÇÃO ( C). Observações: pode reter austenita na camada cementada facilitando a fragilização da peça e comprometendo a dureza o núcleo fica com têmpera total (DURO) aplica-se à aços de granulação fina e em peças de pouca responsabilidade ao esforço 45 B- TÊMPERA DIRETA DUPLA É uma segunda têmpera, realizada depois da direta. Parte de uma temperatura logo acima da linha A1. Finalidade: - reduz a retenção da austenita e diminui a dureza do núcleo - elimina a fragilização da peça - produz granulação + fina 46 23

24 C-D-E- TÊMPERA INDIRETA SIMPLES Consiste no resfriamento da peça ao ar calmo. A seguir a peça é aquecida e resfriada a partir de um patamar pré-estabelecido. C - a peça é aquecida acima da linha A1 (camada cementada). ** O núcleo continua com granulação grosseira e com mínima dureza. Aplica-se à aços de granulação fina. D - A peça é aquecida entre as linhas A1 e A3 (do núcleo). ** Confere uma têmpera e um refino no núcleo, tornando-o mais tenaz e resistente. E - A peça é aquecida acima das linhas A3 (do núcleo) e Acm da superfície ** A têmpera e refino do grão no núcleo são totais. 47 F - TÊMPERA INDIRETA DUPLA Consiste no resfriamento da peça ao ar calmo. A seguir a peça é reaquecida acima da linhas A3 e Acm e retemperadas. É indicado para aços de granulação grosseira. A camada superficial fica dura e o núcleo mole. Há um refino do grão e diminuição da austenita residual

25 2.2- NITRETAÇÃO O endurecimento superficial é obtido pela ação do nitrogênio (difusão). Temperatura de nitretação: C As peças são resfriadas ao ar ou em salmoura 49 O processo de nitretação permite: Obter alta dureza superficial Obter elevada resistência ao desgaste Melhorar a resistência à fadiga, à corrosão e ao calor Propicia um menor empenamento das peças, já que é realizado a temperaturas mais baixas Não necessita de tratamento térmico posterior 50 25

26 CONSIDERAÇÕES GERAIS O tratamento térmico (como têmpera e revenido) se desejado deve ser realizado antes da nitretação A nitretação promove um aumento nas dimensões da peça. Depois da nitretação, não é adequada a realização de usinagem, porque a superfície se torna muito dura, sendo recomendada a retificação. 51 Processos de Nitretação a gás líquida ou em banho de sal por plasma 52 26

27 A- NITRETAÇÃO À GÁS Este processo é usado especialmente para aços ligados (Cr, Al, Mo,...). Tempo de processo: é longo (48-72 horas ou mais) O tratamento é realizado em fluxo de Amônia (NH 3 ). A camada nitretada atinge 0,8 mm e dureza de Vickers. 53 MECANISMO DA NITRETAÇÃO À GÁS 2NH 3 2N + 3H 2 O Nitrogênio produzido combina-se com a ferrita, formando nitreto de ferro, ou forma nitretos complexos, de alta dureza, com os elementos de liga do aço

28 B- NITRETAÇÃO LÍQUIDA O MEIO NITRETANTE É UMA MISTURA DE SAIS: NaCN, Na 2 CO 3, KCN, KCNO, KCl. Tempo de nitretação: no máximo 2 horas Temperatura de nitretação: C A camada nitretada é menos espessa que na nitretação à gás 55 B- NITRETAÇÃO LÍQUIDA Exemplo de banhos: Banho simples: NaCN, KCN. A nitretação líquida é usada também em aços baixo carbono (em peças de menor solicitação) 56 28

29 B- NITRETAÇÃO LÍQUIDA Exemplo de banhos: - Banho Tenifer- Tufftride: KCN, KCNO fundido em um cadinho de titânio + aeração para promover a oxidação do KCN, produzindo C + N. Forma uma estrutura de carbonetos e nitretos na superfície (8-16 mícrons) + zona de difusão do Nitrogênio ( mícrons). A zona de difusão contribui para um aumento da resistência à fadiga. Este processo pode ser usado para aço comum, baixo carbono, aços-liga. É bastante usado na indústria automobilística e de ferramentas: engrenagens, pinos, eixos, brocas, fresas, matrizes, etc. 57 C- NITRETAÇÃO POR PLASMA PROCEDIMENTO A peça é colocada num forno com vácuo Aplica-se um potencial entre as paredes do forno e a peça ( Volts) Gás nitrogênio é introduzido na câmara e é ionizado Os íons são acelerados em direção a peça (pólo negativo) O impacto dos íons gera calor suficiente para promover a difusão O forno atua como eletrodo e como câmara de vácuo, e não como fonte de calor

30 C- NITRETAÇÃO POR PLASMA VANTAGENS O processo é rápido Baixo consumo de gases Baixo custo de energia Fácil automatização Necessita de pouco espaço físico É aplicável a vários materiais Produz peças de alta qualidade Nitretação à plasma - LAMEF - UFRGS CIANETAÇÃO Há um enriquecimento superficial de carbono e nitrogênio. T= C Espessura: 0,1-0,3 mm É aplicado em aços-carbono com baixo teor de carbono O resfriamento é feito em água ou salmoura 60 30

31 2.3- CIANETAÇÃO O processo é executado em banho de sal fundido (cianeto) Semelhante a cementação líquida 2NaCN + O 2 2NaCNO 4NaCNO Na 2 CO 3 + 2NaCN + CO +2N 2CO CO 2 +C CIANETAÇÃO Vantagens em relação a cementação: Maior rapidez Maior resistência ao desgaste e a corrosão Menor temperatura de processo 62 31

32 2.4- CARBO-NITRETAÇÃO É SEMELHANTE À CEMENTAÇÃO À GÁS O processo ocorre em meio gasoso Espessura: 0,7 mm Neste processo introduz-se amônia (30%) + gás carbonizante na atmosfera do forno T= C CARBO-NITRETAÇÃO Deve-se posteriormente temperar as peças em óleo e revenir Tempo de 1 hora endurecida 0,1 mm de camada 64 32

33 2.4- CARBO-NITRETAÇÃO Vantagem em relação à tempera: O material apresenta uma melhor temperabilidade devido ao aumento do teor de carbono Processo mais rápido Temperatura mais baixa Menor crescimento de grão Maior resistência ao desgaste Menor distorção BORETAÇÃO Consiste na introdução de boro por difusão Ocorre em meio sólido Temperatura: 900 C B 4 C + ATIVADOR BORETO DE FERRO que é um composto duro (DUREZA VICKERS: ) 66 33

34 2.5- BORETAÇÃO CONSIDERAÇÕES Temperatura de boretação = 900 C Para um aço 0,45 % de Carbono um tempo de processo de 4 horas origina uma camada endurecida de 100 mícrons. 67 TÊMPERA COMUM DEVE SER SEGUIDA DE REVENIDO USADA EM GERAL PARA AÇOS BAIXO TEOR DE CARBONO, LIGADOS OU NÃO EM GERAL, PROMOVE DISTORÇÕES 68 34

35 TÊMPERA SUPERFICIAL DEVE SER SEGUIDA DE REVENIDO USADA EM GERAL PARA AÇOS BAIXO TEOR DE CARBONO, LIGADOS OU NÃO 69 35