Tratamentos Termoquímicos [23]

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1 [23] Projeto mecânico resistência ao desgaste + tenacidade Visualização das tensões no contato mecânico entre engrenagens cilíndricas i de dentes retos (efeito fotoelástico). formação de uma superfície dura com núcleo tenaz endurecimento superficial Têmpera superficial i Tratamentos termoquímicos 1>

2 Tratamentos termoquímicos: promover o endurecimento superficial i através do enriquecimento i de intersticiais ti i i (C,N) por difusão atômica, seguida de têmpera normalmente em óleo. Processos industriais: Cementação (C) Nitretação (N) Carbonitretação (C,N) Cianetação (C,N) sólida líquida gasosa 2>

3 Fluxo de átomos (J) quantidade de átomos por unidade de tempo por unidade de área. Primeira Lei de Fick: - cálculo da difusão estacionária (fluxo constante) área unitária dc átomos J = D 2 dx m s D coeficiente de difusão D = f(freqüência e deslocamento) [D] = [m 2.s -1 ] 3>

4 Segunda Lei de Fick considera as variações de fluxo / Segunda Lei de Fick considera as variações de fluxo / concentração ao longo do tempo. = x c D x t c x x t fl J fluxo J Solução: = t D 2 x erfc c c o t D 2 o sendo c o a concentração inicial, erfc a função erro complemen- 4> tar, D o coeficiente de difusão e t o tempo.

5 Variação do coeficiente de difusão D no ferro: Co oeficien nte de difusão D [m 2 /s s] 1E-10 1E-11 1E-12 C 1E-13 1E-14 1E-15 1E-16 1E-17 1E-18 1E-19 1E-20 1E D = C Ti Fe Ti Fe D o Fe γ Fe α Q exp R T austenita Fe γ ferrita Fe α Temperatura [ o C] 5>

6 Exemplo da difusão de carbono através da superfície: concentração de carbono superfície centro austenita 6>

7 Parâmetros do processo de cementação: Aço com baixo teor de carbono (C < 0,25%); Difusão de carbono na austenita; Disponibilidade ibilid d de carbono no meio de cementação; temperatura entre 850 a 950 C para CGγ Processos industriais para cementação: espessuras normalmente inferiores a 1,5mm durezas superficiais HRC processos demorados (4 10 horas) meio gasoso (metano) meio líquido (banho de sal fundido, a base de cloretos, carbonatos e cianeto de sódio) meio sólido (carvão moído + catalisador em caixa ) 7>

8 Cementação em caixa: C + CO 2 O 2 CO 2 + C 2CO O carbono existente no carvão reage com o oxigênio do ar, formando o dióxido de carbono. O carbonato de bário acelera o fornecimento de monóxido de carbono, induzindo a formação de cementita na superfície da peça cementada. BaCO 3 + C BaO + 2CO BaO + CO 2 BaCO 3 3 Fe + 2CO Fe3 C + CO 2 BaCO 3 5 a 20% 8>

9 Cementação em aços: Pretende-se criar uma camada com 0,25%C (no mínimo) após cementação a 1000 C durante 1 hora. Supondo que a disponi- bilidade de carbono seja 1,5% na superfície temos: c o c 0,25 co xc = 0,17 sendo = 1 erf 15 1,5 c 2 D t xc xc erf 0,83 0,97 2 D t 2 D t Usando tabelas Considerando os dados de difusividade do carbono temos D γ = 0, ,7 10 exp 8,314 ( ) + 2,7 10 Logo, a espessura da camada cementada será estimada em m 2 / s x c = 0,97 2 (2, ) (3600) x c 0,6mm 9>

10 Processamento e resultados: Lote de peças sendo preparadas para tratamento termoquímico Fonte: Controle de espessura da camada formada durante tratamento termoquímico 10>

11 Camada cementada: 30 mm Micrografia de camada cementada, conseguida após 4 horas a 1000 C, mostrando visível gradiente de concentração pela presença da cementita. Ataque: nital.. Macrografia de uma engrenagem mostrando camada cementada com trincas resultantes de tratamento. Ataque: reativo de iodo. superfície 04mm 0,4 11>

12 Efeito da temperatura e tempo na cementação: 950 C 925 C 900 C 875 C 850 C 825 C 12>

13 Dureza da camada cementada: Aços: 1020 (C) 4620 (Ni, Mo) 8620 (Ni, Cr, Mo) 13>

14 Nitretação: enriquecimento da superfície com nitrogênio, utilizando meios gasosos ou líquidos nitrogenados que contribuem para a formação de Fe 2 N. Objetivos: obtenção de elevada dureza superficial; aumento da resistência ao desgaste e à fadiga; melhoria da resistência à corrosão; Processamento: temperatura de tratamento entre 500 a 575 C; meio gasoso: camada com 0,65mm após 70 horas; meio líquido: resultado anterior em 1 a 3 horas; 14>

15 Nitretação iônica (plasma nitriding): potência 1,5kV; 2A atmosfera 80% N2/20% H2 com pressão 250 Pa temperatura ºC durante 3-4 horas dureza HV em camadas até 30μm de espessura Fonte: 15>

16 Nitretação iônica (plasma nitriding): Peça com 2m comprimento e diâmetro 260mm sendo nitretada a plasma Lote de peças sendo submetido a nitretação a plasma Camada nitretada Fonte: >

17 Nitretação em meio gasoso: 2 NH 2N H 2 Nitretação em meio líquido: sais de sódio: Na(CN); Na 2 CO 3 ; Na(CNO); sais de potássio: K(CN); K 2 CO 3 ; K(CNO); KCl; 17>

18 Camada nitretada: Micrografia tirada de aço baixo carbono mostrando a camada nitretada (branca) uniforme na superfície. Gráfico comparativo entre os diversos processos de nitretação de aços. 18>

19 Cianetação: enriquecimento da superfície com carbono e nitrogênio, i utilizando um banho de cianeto fundido ou uma atmosfera gasosa adequada (amônia/metano). Objetivos: obtenção de elevada dureza superficial; i aumento da resistência ao desgaste e à fadiga; Processamento: aços com baixo carbono ou baixa liga; temperatura de tratamento entre 750 a 870 C; meio líquido: camada com 0,1 a 0,3mm após 1hora; cuidados operacionais (os cianetos provocam asfixia). 19>

20 Bibliografia: Chiaverini, V. Aços e Ferros Fundidos. ABM, São Paulo, 5a. ed., 1987, pp Colpaert, H. Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns. Ed. Edgard Blucher, São Paulo, 1974, pp Chiaverini, V. Tratamentos Térmicos das Ligas Ferrosas. Assoc. Bras. Metais, São Paulo, 2a. ed., 1987, pp American Society for Metals. ASM Handbook, Vol. 4: Heat Treating. 10th ed.,