[9] Projeto mecânico resistência ao desgaste + tenacidade Visualização das tensões no contato mecânico entre engrenagens cilíndricas de dentes retos (efeito fotoelástico). formação de uma superfície dura com núcleo tenaz endurecimento superficial Têmpera superficial Tratamentos termoquímicos 1>
Têmpera superficial por aquecimento indutivo: http://www.youtube.com/watch?v=zr9shiuntmy 2>
Tratamentos termoquímicos: promover o endurecimento superficial através do enriquecimento de intersticiais (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 plasma (iônica) 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 ] 4>
5> Segunda Lei de Fick considera as variações de fluxo / concentração ao longo do tempo. = x c D x t c fluxo J Solução: = t D 2 x erfc c c o sendo c o a concentração inicial, erfc a função erro complementar, D o coeficiente de difusão e t o tempo. Tratamentos Termoquímicos
Variação do coeficiente de difusão D no ferro: Coeficiente de difusão D [m 2 /s] 1E-10 1E-11 1E-12 1E-13 1E-14 1E-15 1E-16 1E-17 1E-18 1E-19 1E-20 1E-21 D = C Ti Fe C Ti Fe D o Q exp R T austenita Fe γ ferrita Fe α Fe γ Fe α 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 13001400 Temperatura [ o C] 6>
Exemplo da difusão de carbono através da superfície: concentração de carbono superfície centro austenita 7>
Parâmetros do processo de cementação: Aço com baixo teor de carbono (C < 0,25%); Difusão de carbono na austenita; Disponibilidade 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 ) 8>
Vacuum Carburizing and Heat treating: http://www.youtube.com/watch?v=pyquqnfg2ro 9>
Cementação em caixa: C + O 2 CO 2 CO 2 + C 2CO 3 Fe + 2CO Fe C + 3 CO 2 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 BaO + 3 + CO C 2 BaO + BaCO BaCO 3 5 a 20% 3 2CO 10>
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 disponibilidade de carbono seja 1,5% na superfície temos: c o c 0,25 co xc = 0,17 sendo = 1 erf 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 3 135,7 10 exp 8,314 (1000 273) + 4 11 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 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 0,4 mm 12>
Efeito da temperatura e tempo na cementação: 950 C 925 C 900 C 875 C 850 C 825 C 13>
Dureza e profundidade da camada cementada: Aços: 1020 (C) 4620 (Ni, Mo) 8620 (Ni, Cr, Mo) 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; 15>
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; 16>
Nitretação a Plasma (PN) - mistura gasosa: 80% H 2 + 20% N 2 (v/v) pressão na câmara: 500Pa (5mBar) a 400-500 C durante 5 horas. Nitrocementação a Plasma (PNC) - 77% H 2 + 20% N 2 + 3% CH 4 (v/v) pressão na câmara: 500Pa (5mBar) a 400-500 C durante 5 horas. Plasma: The 4th State of Matter http://www.youtube.com/watch?v=vkesi_b5ljc 17>
Nitretação (PN)/Nitrocementação (PNC) em aço inoxidável superaustenítico: e = 4,5 ± 0,3μm e = 10,0 ± 1,0μm e = 22,0 ± 2,0μm Fernandes et al. EBRATS (2012) e = 10,1 ± 0,5μm e = 20,0 ± 2,0μm e = 31,0 ± 3,0μm substrato de grãos austeníticos maclados (annealing twins), com 40-80μm e morfologia poligonal típica. camada homogênea fina formada a 400 C temperatura nitretação promoveu a formação outras fases. formação de camadas duras (480-1600HV) sobre substrato SASS com 200HV. Nitrocementação (PNC) favoreceu a formação de camadas mais espessas que a nitretação (PN). 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. 19>
Cianetação: enriquecimento da superfície com carbono e nitrogênio, utilizando um banho de cianeto fundido ou uma atmosfera gasosa adequada (amônia/metano). Objetivos: obtenção de elevada dureza superficial; 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 1 hora; cuidados operacionais (os cianetos provocam asfixia). 20>
Bibliografia: Alves Jr, C. Nitretação a Plasma: Fundamentos e Aplicações, 2001. Disponível para download em http://www.labplasma.ct.ufrn.br/index.php?id=5 Chiaverini, V. Aços e Ferros Fundidos. ABM, São Paulo, 5a. ed., 1987, pp. 117-142. Colpaert, H. Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns. Ed. Edgard Blucher, São Paulo, 1974, pp. 289-298. 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. Notas de aula preparadas pelo Prof. Juno Gallego para a disciplina Lab. Materiais de Construção Mecânica I. 2015. Permitida a impressão e divulgação. http://www.feis.unesp.br/#!/departamentos/engenharia-mecanica/grupos/maprotec/educacional/ 21