Trans Meca

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Endurecimento superficial

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ENDURECIMENTO SUPERFICIALOs processos de endurecimento superficial visam o aumento de dureza (ou outras propriedades mecnicas) de uma regio especfica de um componente. Normalmente, tal regio sofrer algum tipo de solicitao localizada. A solicitao mais comum o desgaste abrasivo e, assim, torna-se importante um aumento de resistncia ao desgaste da regio por meio de um endurecimento localizado, conservando as caractersticas originais do ncleo do componente. A figura abaixo apresenta um exemplo de uma engrenagem de grande porte em que seus dentes foram endurecidos superficialmente, visando-se uma reduo de desgaste e aumento de vida fadiga.

Engrenagem endurecida superficialmente pelo processo de tmpera por induo.

Existem diversos processos de endurecimento superficial. Os mais comuns so: Encruamento por conformao mecnica a frio (shot peening ou roletagem); Tratamentos de eletrodeposio ou asperso trmica (aplicao de cromo duro, revestimentos cermicos e etc.) Tmpera superficial e os Tratamentos termoqumicos (cementao, nitretao, carbonitretao etc.) Nesta aula, abordaremos os processos de tmpera superficial e suas variantes e os tratamentos termoqumicos mais importantes industrialmente.

Marcelo F. Moreira

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Tmpera superficial A tmpera superficial produz regies endurecidas na superfcie do componente (de microestrutura martenstica) de elevada dureza e resistncia ao desgaste, sem alterar a microestrutura do ncleo. Vantagens comparativas do endurecimento superficial em relao ao total: Dificuldades tcnicas decorrentes do tratamento trmico de peas de grandes dimenses; Diminuio do risco de trincas em peas de grandes dimenses; Possibilidade de endurecimento apenas regies submetidas ao desgaste; Economia - Emprego de aos de baixa temperabilidade (aos ao carbono de custo mais baixo) no lugar de aos de alta temperabilidade (custo mais elevado); Produtividade o tratamento de tmpera superficial mais rpido;

Os processos de tmpera superficial so classificados de acordo com o mtodo de aquecimento: Tmpera superficial por chama Tmpera superficial por induo Tmpera por chama O aquecimento realizado por meio de chama oxiacetilnica at a austenitizao da camada desejada. O resfriamento realizado com salmoura ou leo por meio de spray ou imerso. Existem 4 mtodos para a tmpera superficial: Estacionrio: Aquece-se apenas o local a ser endurecido com subsequente resfriamento rpido, por meio de asperso ou imerso. o mtodo mais simples. Emprega apenas um maarico e um tanque para resfriamento. Giratrio: o componente, de seo circular, gira a uma velocidade estabelecida empiricamente, enquanto a tocha oxiacetilnica austenitiza a regio ser endurecida. Para um aquecimento mais rpido e homogneo so empregadas diversas tochas. Progressivo: mtodo direcionado ao tratamento de peas de grande porte. O equipamento consiste de uma ou mais tochas de aquecimento e um dispositivo de resfriamento por asperso, montados em um carro que pode Ter sua velocidade controlada. As velocidades variam, normalmente, de 5 a 30 cm/min. Progresivo-giratrio: O componente gira ao mesmo tempo em que a tocha sofre deslocamento.

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Tmpera por induo O aquecimento realizado por meio de induo eletromagntica. O tempo de aquecimento da ordem de segundos. O resfriamento realizado com salmoura ou leo por meio de spray ou imerso. Se uma corrente alternada passa por um bobina, estabelece-se nesta um campo magntico alternado, o qual induz um potencial eltrico na pea a ser aquecida. Como a pea um circuito fechado, a tenso induzida provoca um fluxo de corrente. A resistncia passagem desta corrente provoca o aquecimento da regio a ser temperada. A camada a ser temperada depende: da forma da bobina de induo; do nmero de voltas da bobina; da freqncia do campo magntico; da densidade de potncia. Camadas temperadas com profundidade entre 0,3 a 1,5 mm (dureza entre 58 e 62 HRC) oferecem boa resistncia ao desgaste em componentes submetidos a tenses leves e moderadas. Nestes casos, a profundidade de austenitizao pode ser controlada empregando-se freqncias entre 10 kHz e 2MHz, densidades de potncia na bobina entre 800 e 8000W/cm2 e tempos de aquecimento inferiores a 10 s. Em componentes submetidos tenses elevadas (> 30% e) especialmente aqueles submetidos tenses cclicas so recomendadas camadas mais espessas, entre 1,5 e 6,5mm. Para estes resultados so empregadas freqncias entre 10 kHz e 1 kHz, densidades de potncia entre 80 e 1550 W/cm2 e tempos de aquecimento de at 140s. Revenimento O revenimento sempre deve ser realizado imediatamente aps o resfriamento da pea. Normalmente o revenimento realizado aps a operao de tmpera superficial emprega temperaturas entre 150 e 300C (tambm chamado de alvio de tenses pois no h queda acentuada da dureza). Em alguns casos, o revenimento pode empregar aquecimento indutivo ou por chama. Em componentes com camadas endurecidas espessas (4 a 6mm), o calor residual presente no ncleo, depois do resfriamento, pode ser suficiente para aliviar as tenses de tmpera, tornando desnecessrio o revenimento. Este procedimento conhecido como auto-revenimento.

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Tmpera por induo em eixo

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Exemplo de engrenagem temperada com um indutor em V (dente a dente) e resfriamento com leo. Note que parte da camada temperada (topo do dente) parcialmente revenida pelo passe posterior.

Engrenagem temperada por induo rompida em servio por fadiga. A nucleao de trincas de fadiga foi provocada pela ausncia de camada temperara na base dos dentes. Note que a engrenagem era submetida esforos em ambos os sentidos de rotao.

Referncias bibliogrficas 1- Heat Treaters Guide 2nd editon ASM International 2- ASM Handbook vol 4 - Heat Treatment 9th edition 3- IPT Relatrios tcnicosMarcelo F. Moreira

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TRATAMENTOS TERMOQUMICOSOs tratamentos termoqumicos promovem um endurecimento superficial pela modificao da composio qumica e microestrutura em regies superficiais. Seu objetivo o aumento de dureza e resistncia ao desgaste de uma camada superficial, mantendo-se a microestrutura do ncleo dctil e tenaz. Os tratamentos termoqumicos mais importantes industrialmente so: cementao; nitretao e carbonitretao. 1. CEMENTAO Consiste na difuso de carbono para a superfcie do componente, aquecido em temperaturas suficientes para produzir a microestrutura austentica. A austenita posteriormente convertida em martensita por meio de tmpera e subsequente revenimento. A cementao realizada somente em aos ao carbono e aos baixa-liga com teores de carbono inferiores a 0,25%. A cementao classificada de acordo com o meio empregado para a difuso de carbono: cementao gasosa, cementao lquida e cementao solida.

1.1- CEMENTAO GASOSA o mais importante processo de cementao industrial. A aporte de carbono fornecido pela atmosfera gasosa do forno, que inclui hidrocarbonetos, como o metano propano e butano ou hidrocarbonetos lquidos vaporizados. A atividade de carbono controlada de modo a produzir camadas superficiais com teores de carbono entre 0,8 e 1,0% de C. Os componentes, suportes e grelhas so limpos a quente em solues alcalinas antes de serem processados. Outra prtica o aquecimento ao ar at 400C visando a eliminao de contaminantes orgnicos. As variveis mais importantes do processo so a temperatura, o tempo e a composio da atmosfera. Outras variveis incluem o grau de circulao da atmosfera no interior do forno e o teor de elementos de liga presentes no ao. O coeficiente de difuso do carbono na austenita determina o tempo necessrio para a obteno de uma determinada profundidade de camada:

p = D.t

onde p a profundidade da camada cementada em [m]; t, o

tempo em [s] e D, o coeficiente de difuso do C em [m2/s], definido como:

Qd D = D0 . exp onde D0 o coeficiente de difuso inicial [m2/s]; Qd, a R.T energia de ativao para difuso em [cal/mol]; R a constante dos gases [1,987 cal/mol.K] e T, a temperatura absoluta [K].

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Verifica-se que o coeficiente de difuso depende fortemente da temperatura do processo. Por exemplo, o coeficiente de difuso do carbono a 925C 40% maior que a 870C. O efeito combinado do tempo e temperatura na espessura de camada cementada apresentado na figura abaixo:

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Forno de cementao gasosa de operao descontnua (por lotes)

Forno de cementao gasosa de operao contnua

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1.2- CEMENTAO LQUIDA As camadas cementadas pelo meio lquido so similares s obtidas com o meio gasoso, entretanto, os ciclos so mais curtos devido ao perodo de aquecimento ser mais rpido. Os banhos de sal apresentam coeficientes de transferencia de calor muito elevados por apresentarem, simultaneamente, conduo, conveco e radiao. A composio dos banhos base de cianetos e o processo dividido em duas variantes: Banhos de baixa temperatura operam em temperaturas entre 845 e 900C. So mantidos com uma camada protetiva de carbono (carvo modo) e so indicados para camadas com profundidades entre 0,13 a 0,25 mm. Banhos de alta temperatura - operam em temperaturas entre 900C e 955C. So indicados para profundidades de camada entre 0,5 mm e 3,0 mm, entretanto, sua principal caracterstica o rpido desenvolvimento de camadas entre 1 e 2 mm. Composio dos banhos empregados em cementao lquida:Composio dos banhos [%] Banhos de baixa Constituinte Cianeto de sdio (NaCN) Cloreto de brio (BaCl) Outros sais