[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>
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>
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>
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.
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-21 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 13001400 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>
Exemplo da difusão de carbono através da superfície: concentração de carbono superfície centro austenita 6>
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 50 65 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>
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>
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 = 0,10 10 3 4 11 3 135,7 10 exp 8,314 (1000 273) + 2,7 10 Logo, a espessura da camada cementada será estimada em m 2 / s x c = 0,97 2 (2,7 10 11 ) (3600) x c 0,6mm 9>
Processamento e resultados: Lote de peças sendo preparadas para tratamento termoquímico Fonte: http://www.citysteelht.com/surface_treatments.html Controle de espessura da camada formada durante tratamento termoquímico 10>
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>
Efeito da temperatura e tempo na cementação: 950 C 925 C 900 C 875 C 850 C 825 C 12>
Dureza da camada cementada: Aços: 1020 (C) 4620 (Ni, Mo) 8620 (Ni, Cr, Mo) 13>
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>
Nitretação iônica (plasma nitriding): potência 1,5kV; 2A atmosfera 80% N2/20% H2 com pressão 250 Pa temperatura 400-480ºC durante 3-4 horas dureza 1000-1200HV em camadas até 30μm de espessura Fonte: http://www.scielo.br/scielo.php?pid=s1517-70762009000200008&script=sci_arttext 15>
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: http://www.jjcastings.com/plasma.htm http://www.sfsa.org/tutorials/leverarm/valve_23.htm 16>
Nitretação em meio gasoso: 2 NH 2N + 3 3 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>
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>
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>
Bibliografia: Chiaverini, V. Aços e Ferros Fundidos. ABM, São Paulo, 5a. ed., 1987, pp. 117-142. 142 Colpaert, H. Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns. Ed. Edgard Blucher, São Paulo, 1974, pp. 289-298. 298 Chiaverini, V. Tratamentos Térmicos das Ligas Ferrosas. Assoc. Bras. Metais, São Paulo, 2a. ed., 1987, pp. 99-131. American Society for Metals. ASM Handbook, Vol. 4: Heat Treating. 10th ed., 1991. www.citysteelht.com/surface_treatments.html http://www.sfsa.org/tutorials/leverarm/valve_23.htm http://www.scielo.br/scielo.php?pid=s1517-70762009000200008&script=sci_arttext 20