Seleção pelos requisitos da superfície

Seleção pelos requisitos da superfície (propriedades da superficies são determinantes no projeto de componentes)

Seleção pelos requisitos da superfície (solicitação na superfície é determinante) Ø Resistência a corrosão Ø Resistência ao desgaste Processamento de superfícies Seleção pelas propriedades mecânicas: v Resistência estática v Tenacidade v Rigidez v Fadiga v Fluência

Demandas concentradas na superfície Engenharia de Superfície

A ENGENHARIA DE SUPERFÍCIES engloba uma séries de técnicas com um mesmo objetivo, o de melhorar o desempenho de produtos/ componentes. Permite que a superfície do componente atenda a exigências específicas e distintas daquelas exigidas para o substrato.

Objetivos: v Resistência ao desgaste v Resistência a corrosão, oxidação e/ou sulfatização v Melhorar prop. mec. como resistência a fadiga ou tenacidade v Reduzir perdas por fricção v Melhorar prop. elétricas v Melhorar isolamento térmico v Melhorar aparência

Abordagens da Engenharia de Superfície : Modificação da Superfície Adição de Camada Superficial Sem alteração da composição Têmpera Fusão Com alteração da composição Processos termoquimicos Implantação iônica Hardfacing Soldagem (processos com fusão do substrato) Aspersão térmica (processos sem fusão do substrato) Revestimentos CVD, PVD Filmes finos Eletrodeposição

Prevenção

Espessura é determinada pelo processo/técnica e tem de ser considerada na fase de projeto

Solicitação na superfície: corrosão Prevenção: Seleção de um outro metal ex: aço ligado ou inoxidável Alteração do meio pelo uso de inibidores ou dessecadores Controle do potencial eletroquímico pela aplicação de corrente catódicas ou anodicas Aplicação de camada orgânica, metal ou inorgânica (cerâmico ou vidro)

Solicitação na superfície: desgaste Tipos de desgaste de acordo com o movimento relativo: Deslizamento Impacto Rolamento Deslizamento Impacto Rolamento

Solicitação na superfície: desgaste Tipos de contato abrasivo Modos de erosão

Efeito sinérgico entre mecanismos de corrosão e de desgaste: um fenomeno amplia os efeitos do outro Abrasão: Remove revestimentos e a camada de óxido protetora e expõem a superfície do metal, podendo ainda remover particulas do metal Forma entalhes microscópicos e identações favorecendo a corrosão eletroquimica Aumenta a área real exposta a corrosão Elimina camadas encruadas/jateadas Promove microtrincas nas materiais frágeis favorecendo o arrancamento de material Elevada deformação plástica encrua a superfície e aumenta a susceptibilidade ao ataque quimico Corrosão Provoca pits que induzem microtrincas As microtrincas nos pits favorecem o arrancamento do metal no impacto Aumenta a rugosidade da superfície, reduzindo a energia necessária para remover o material por abrasão Pode originar hidrogênio, absorção e trincamento de aços Ataque selectivo dos contornos de grão e de fases menos nobres, fragilizando o material Impacto: A deformação plástica torna alguns constituintes mais susceptiveis a corrosão Trinca constituintes frágeis, rasga constituintes ducteis formando locais favoraveis para corrosão por frestas e arrancamento de material Fornece energia cinética necessária para intensivar o mecanismo de abrasão Pressuriza o água incentivando mecanismos como cavitação, erosão e oxidação do metal protetor Pressuriza água e gases aumentando temperatura, alteração de fases decomposição ou reação de produtos Aumentando os efeitos do processo corrosivo

Importância do substrato: Seleção do aço adequado Aços médio C tempera superficial Aços baixo C cementação Aços ligados nitretação/ aluminização Adaptação interface - Camada de amanteigamento - Combinação de processos

Seleção final Condições de operação Ambiente de trabalho a ser considerado no projeto Requisitos do material estruturais e da superficie Informações de análise de falhas de outros componentes que possam melhorar a seleção de materiais Seleção do material Construção de protótipo Construção de protótipo Seleção do material da superficies que atenda as necessidades Seleção do material do estrutural que atenda as necessidades de resistência, temperatura e corrosão Seleção do processo (compatível com o material e com o substrato) Avaliar se o processo escolhido é compatível com o substrato e o projeto (considerar adesão, ZTA, distorção, acesso, etc.) Avaliar requisitos de controle de qualidade Seleção de processos compatíveis com materiais selecionados e com a aplicação ( considerar, diluição, espessura, etc.) Reconsiderar processo e/ou materiais Finalizar a seleção dos materiais e processos Reconsiderar materiais Especificar detalhes de produção, SMS, etc.

Técnicas de processamento de superfícies

Tempera superficial Os diferentes processos de tempera superficial diferem entre si em função da fonte de energia usada para austenitizar a superfície e os meios de resfriamento Chama Indução LASER

Tempera superficial Taxa de aquecimento impacto nas temperaturas de transformação Estrutura inicial impacto nas temperaturas de transformação

Tempera superficial Tensões residuais: tempera superficial vs tempera plena Superfície expande devido à transformação martensítica; para manter a continuidade o núcleo é tracionado para acompanhar a superfície externa Núcleo Tenaz γ γ α O núcleo do componente que não foi aquecido, tende a manter a continuidade do material puxando a superfície externa para as dimensões iniciais, provocando assim uma tensão de compressão γ α α

Tempera por Chama ESCOPO E APLICAÇÕES n Componentes com dimensões tão grandes que tornem o aquecimento convencional em forno e tempera impraticáveis ou economicamente inviáveis. n Tratamento de uma pequena área ou seção da peça ou quando o tratamento térmico da peça como um todo é prejudicial. n Rigor dimensional da peça impraticável, difícil de obter ou controlar com os processos convencionais.

Tempera por Chama Processos estacionário e progressivo Processo rotativo

Tempera por Chama Condições da superficie: interferência com o aquecimento e tempera: superaquecimento localizado, inicio de trincas, dureza não uniforme. Condição da superfície Costuras, dobras ou sobreposições de componentes processados mecanicamente Poros de solidificação Incrustações decorrentes de tratamentos anteriores Ferrugem Descarbonetação Soldagens de materiais dissimilares Efeito após tempera Aquecimento localizado (podendo nos casos mais graves ocorrer fusão superficial), com consequente crescimento de grão, fragilização, e elevada tendência a trincar Efeito isolante no aquecimento, resultando em aquecimento e tempera não uniforme. Pontos macios na superfície Quando muito severo, o material não responde à tempera, não endurece Região soldada e material de base reagem de forma diferente ao tratamento de tempera; solda pode quebrar exigindo operações de re-soldagem ou sucateamento do componente

Tempera por Chama PROCESSAMENTO - Fatores relevantes: Revenido por chama Dureza da camada tratada Depende do teor de C; maior temperabilidade maior profundidade Controle dimensional: maior controlo que nos processos de tempera convencionais, depende: ü tamanho e geometria da peça ü área e profundidade aquecida, ü temperabilidade do aço ü meio de tempera Seleção do material aços temperáveis (fundidos ou deformados) e ferros fundidos

Tempera por Indução Método de aquecimento versátil de metais condutores, que permite um endurecimento uniforme e localizado da superfície.

Tempera por Indução O aço é aquecido por um campo magnético gerado por uma corrente alternada de alta frequência que passa através de um indutor ( bobina de cobre resfriada a água). Campo gerado depende da resistência da corrente e do n. voltas da bobina Anulamento de campo Colocar próximo da peça a tratar, maior n. de linhas de fluxo, melhor o aquecimento

Tempera por Indução Bobinas diversas: Tratamentos seletivo 1 volta Várias voltas Tempera roda dentada Zona tratada

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 frequência e da corrente, a taxa e a profundidade de aquecimento podem ser controladas. varredura estacionário

Tempera a LASER Fonte de luz com a qual se pode aplicar quantidade de energia prédeterminadas em regiões especificas de um componente. Variando a potência do laser, a profundidade de absorção do calor pode ser controlada.

Tempera a LASER Feixe de laser incide numa superfície, parte da sua energia é absorvida como calor na superfície Parâmetros de processamento Elevadas densidades de potência + curtos tempos de interação aquecimento e resfriamento rápidos pequenas ZTA pequenas distorções do componente não afeta as propriedades no interior do componente. Taxa de aquecimento: ~10 6 K s -1 Taxa de resfriamento: 10 4 K s -1 Auto-tempera por condução térmica no substrato Transformação martensítica em aço de muito baixo C, sem distorçao e trincas superficiais

Tempera a LASER Principais vantagens: Ø Controlo rigoroso da potência utilizada e aplicada ao material Ø Elevada densidade de potência em áreas selecionadas, minimiza a energia total introduzida e consequentemente a distorção dimensional, Ø Capacidade de alcançar áreas de difícil acesso. Ø Não requer vácuo ou atmosfera controlada, permite que a distância à peça seja grande Ø Possibilidade de processar peças de geometria complexa e irregular Principais desvantagens: v profundidade tratada limitada a 2.5mm ou menos v investimento inicial muito grande.

Fusão superficial por LASER Requer densidades de potências mais elevadas que a tempera. Endurecimento de ligas que não podem ser temperadas ex.: ferros fundidos maleável ferriticos, a fusão aumenta a difusão do carbono, após um resfriamento rápido obtémse uma região endurecida

Fusão superficial por LASER Alterações da microestrutura: refinamento de grão soluções sólidas fina dispersão de precipitados Em qualquer dos casos sempre ocorre um aumento da resistência e da dureza da superfície Superfícies tratadas sob a proteção de um gás inerte para evitar oxidação. A rugosidade da superfície tratada é maior do que na tempera e depende das variações dimensionais que acompanham as alterações da microestrutura

Tratamentos termoquimicos

Tratamentos termoquimicos Cementação Nitretação Boretação Aluminização Cromatização Resistência ao desgaste Co-deposição (Al+Pt, Al+Cr, etc) Oxidação/ corrosão

Cementação/carburização Realizado em campo austenítico Aços de baixo teor de C (0.15-0.35%) adquirem até 0.7-0.9%C Seguido tempera e revenido para obter martensita na superfície Resultado: Aumento da dureza -> resistência ao desgaste Tensões residuais compressivas -> resistência a fadiga Alterações dimensionais -> tem de ser minimizadas Gasosa ~900 C Atmosfera: CO/H2/N2 Ou CH3OH/N2 Em caixa ~900 C Caixa com carvão e catalizador BaCO3 Vácuo ~1050 C Aquecimento a baixa pressão, adição de CH3 ou C5H12 Plasma ~1050 C Aquecimento a baixa pressão CH3; glow discharge deposita C em superfície uniformemente carregadas

Cementação Cementação a gás: método mais usado. A atmosfera rica em carbono resulta de um gás endotérmico enriquecido com metano ou propano. A tempera posterior é feita em óleo; muitos componentes cementados são submetidos a martempera que ocorre a temperaturas mais elevadas. Cementação em caixa: componentes são colocados em uma mistura a base de carvão com ativadores em uma caixa fechada que posteriormente é aquecida. Cementação em vácuo e por plasma: ambos os processos usam uma câmara de vácuo com com gás de hidrocarbonetos como fonte de C. A principal vantagem deste processo é a ausência de oxigênio da atmosfera do forno. Cementação em banhos de sais: sais de cianetos, cianatos ou misturas de carbono e carbonatos. Adequados para produzir finas camadas cementadas pois o tempo de tratamento pode ser rigorosamente controlado.

A profundidade de cementação e a dureza têm de adequadas para o tipo de solicitação que a superfície vai estar exposta. Profundidade vs tempo Características Suave gradiente de C (de microestrutura e propriedades) entre a superfície e o interior da peça. De um modo geral quanto mais profunda a camada tratada menos acentuado o gradiente de C. Facilidade de controlar a espessura tratada A microestrutura produzida é formada por martensita A austenita retida aumenta com o teor de C, e dos elementos de liga e com a diminuição da velocidade de tempera. Estruturas compostas de martensita e carbonetos primários grosseiros, ou rede de carbonetos ou com uma fina dispersão de carbonetos também podem ser produzidas

Aços para cementação Os aços para cementação incluem-se entre os aços para construção mecânica, caracterizam-se por um baixo teor de carbono, geralmente até 0,25% e podem conter ou não elementos de liga. AÇO" C! Si" Mn" Cr" Ni" Mo" Características" SAE 9315" 0,1 3-0,18! 0,20-0,35" 0,45-0,65" 1,00-1,40" 3,00-3,50" 0,08-0,15" Alta temperabilidade" SAE 4320" 0,17-0,22! 0,20-0,35" 0,45-0,65" 0,40-0,60" 1,65-2,00" 0,20-0,30" Alta temperabilidade" SAE 8620" 0,18-0,23! 0,20-0,35" 0,70-0,90" 0,40-0,60" 0,40-0,70" 0,15-0,25" Média temperabilidade" SAE 5115" 0,13-0,18! 0,20-0,35" 0,70-0,90" 0,70-0,90" -" -" Baixa temperabilidade"

Ciclos de cementação Têmpera direta Simplicidade. Não requer aquecimentos subsequentes nem proteção contra descarbonetação. Tendência a apresentar austenita retida no caso dos aços ligados. O núcleo fica totalmente endurecido Têmpera dupla, com resfriamento lento após a cementação Reduz a ocorrência de austenita retida. É o ciclo que possibilita o maior refino de grãos do núcleo de da camada cementada. Requer dois aquecimentos adicionais até as temperaturas de têmpera em meio que proteja a peça contra descarbonetação. Favorece a ocorrência de deformações pelas sucessivas sequências de aquecimento e resfriamento. Têmpera simples da camada cementada com resfriamento lento após a cementação Além de conferir a camada cementada a dureza desejada, permite a obtenção de núcleos com diferentes teores de resistência e tenacidade, segundo a temperatura de têmpera adotada. Temperaturas de têmpera mais elevadas produzirão núcleos mais resistentes e menos tenazes. Requer um aquecimento adicional até a temperatura de têmpera em meio que proteja a peça contra descarbonetação. Favorece a ocorrência de deformações, acentuando-se essa tendência para temperaturas mais elevadas.

Nitretação v N difunde na peça para formar nitretos com Al, Ti, Mo, etc. v Realizada na faixa de temperatura de 400-600ºC, na presença da fase ferritica nos aços (pode ser realizada em aços austeniticos que contenham formadores de nitretos) v Para aços com 0.4%C que tenham sido tratados termicamente antes da nitretação v Ideal para aços que possam ser revenidos nas T de nitretação v Dureza obtida pode ser mantida até 500C (T superior a T d decomposião da martensita) v Produz tensões residuais compressivas

Nitretação Pode formar camada branca frágil (nitretos de ferro). Necessita de control rigoroso do processo Efeito do tempo de nitretação na profundidade da camada nitretada

Nitretação Efeito da composição química do aço Aço carbono Aço ligado

Nitretação Nitretação gasosa Nitretação a Plasma Camada de difusão (0,2 mm) 12 um Camada branca Metal de sacrifício 6 um Dureza (HV1) 800 700 600 Plasma 500 400 300 200 Nitrocarburizada 100 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Δ Perda de massa 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 500 3000 Plasma Nitrocarburizada Distância da superfície (mm) Distância percorrida (m)

Aluminização Ligas de Ni formam filme protetor de Cromia Ø A cromia é susceptivel a redução ou a conversão para carbetos dependendo do potencial de O e de C Ø A cromia não é estável a temperaturas acima 700ºC Como contornar esta situação? Alumina-α é a proteção mais eficiente contra oxidação e corrosão em meios muito agressivos Mas... altos teores de Al (acima 5-8at%Al) comprometem propriedades estruturais das ligas de Ni Tratamento termoquimico -> adição Al para permitir formação de um filme de óxido estável e protetor

Aluminização Revestimentos protetores em alta temperatura são formados sobre materiais estruturais para prevenir degradação por oxidação e/ou corrosão a quente Os revestimentos agem como uma barreira entre o meio agressivo e o componente D Oliveira&Capra, Therma Barrier coatings, Encyclopedia of Tribology, 2013

Aluminização Técnicas de aluminização u Pack cementation u Slurry (pintura ou pasta) u CVD Peça Grelha de suporte Cementação fora da pack mistura Mistura de cementação: Elemento ativo: Al puro ou liga rica em Al Agente Ativador: NH 4 X (X = Cl, Br. F ou I) Material inerte: Al 2 O 3

Aluminização O Revestimento se forma pela reação entre o metal base e o Al transportado da pack mistura até a superfície da liga por um haleto Reação com o substrato: formação de aluminetos ( camada de interdifusão), para - criar uma reserva de Al, - impedir difusão do Al em grandes profundidades ou - a difusão de Ni ou Fe para a superfície Ø O intermetálico βnial se forma quando o Al difundido interage com o Ni da liga Ø É necessário um filme de alumina α Filme de α-al 2 O 3 Reservatório de Al/ Camada de Aluminetos Liga de Ni

Alta atividade v Pack mistura: Al puro ou de alta atividade v 650-950ºC v δ-ni 2 Al 3 é a principal fase formada v Tratamento térmico: δ-ni 2 Al 3 à β-nial v Mecanismo que predomina: difusão do Al para o substrato Superficie Original Revesti mento Aluminizada Após tratamento térmico Inwards diffusion of Al Ni 2 Al 3 -> NiAl D Al >D Ni Camada rica em Al Precipitados de elementos, da liga de Ni O Crescimento do revestimento depende de: ² Taxa de difusão do Al da pack mistura para a superficie do componente ² Taxa difusão do Al da superficies do componente para a matriz através da camada de Ni 2 Al 3

Aluminização Baixa atividade ² Pack mistura: liga de Ni 2 Al 3 ou baixa atividade ² 800-1200ºC ² β-nial é a principal fase formada (apresenta uma uma ampla faixa de composição 21-38 wt% ou 37-57 at% Al a1000º C) ² Mecanismo que predomina: difusão do Ni para a superfície Al+ elementos de liga Cr, Ti, Si, etc Superficie Original Precipitados de elementos, da liga de Ni NiAl com elementos de liga em solução Difusão de Ni para superficie D Ni >D Al Liga Ni Revesti mento

Aluminização Pre-oxidação α-al 2 O 3 só se forma prontamente a temperaturas acima de 1273 K (1000 C), normalmente é precedido por fases metaestáveis da alumina O filme de alumina α apresenta v Baixa taxa de crescimento v Boa aderência v Baixa difusividade do oxigênio v Denso

Aluminização Reservatório de Al 20-40at% Al Liga de Ni 5-10at%Al Al Cr, Ta, W, Mo, Fe Filme de α-al 2 O 3 Pt eletrodepositada Ø A Pt melhora a aderência da camada de alumina Ø Contribui para a formação de um filme de alumina mais pura e reduz a taxa de crescimento do óxido Ø Ajuda na recuperação do óxido após desplacamento Ø Atua como um estabilizador deβ-nial stabilizer e reduz a transformação de β em γ quando exposto a ciclos térmicos Ø Melhora a estabilidade do revestimento reduzing a interdifusão entre o substrato e o revestimento D Oliveira & Capra, 2013