Tratamentos Termoquímicos [9]

1>

Projeto mecânico resistência ao desgaste+ tenacidade

Visualização das tensões no contato mecânicoentre engrenagens cilíndricas de dentes retos

(efeito fotoelástico).

Têmperasuperficial

Tratamentostermoquímicos

endurecimentosuperficial

formação de umasuperfície dura comnúcleo tenaz

Tratamentos Termoquímicos

2>

Têmpera superficial por aquecimento indutivo:

http://www.youtube.com/watch?v=zR9shiuntMY

Tratamentos Termoquímicos

3>

Tratamentos termoquímicos: promover o endurecimento superficial através do enriquecimento de intersticiais (C,N) pordifusão atômica, seguida de têmpera normalmente em óleo.

Processos industriais:

Cementação (C)sólida

Nitretação (N)líquida

Carbonitretação (C,N)gasosa

Cianetação (C,N)plasma (iônica)

4>

Fluxo de átomos quantidade de átomos por unidade(J) de tempo por unidade de área.

áreaunitária

Primeira Lei de Fick:- cálculo da difusão estacionária

(fluxo constante)

D – coeficiente de difusãoD = f(freqüência e deslocamento)[D] = [m2.s-1]

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⋅⋅−=

smátomos

dxdcDJ 2

Tratamentos Termoquímicos

5>

Segunda Lei de Fick considera as variações de fluxo /concentração ao longo do tempo.

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

⋅∂∂

=∂∂

xcD

xtc

fluxo JSolução:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⋅⋅⋅=

tD2xerfccc o

sendo co a concentração inicial, erfc a função erro complemen-tar, D o coeficiente de difusão e t o tempo.

Tratamentos Termoquímicos

500 600 700 800 900 1000 1100 1200 13001400

1E-21

1E-20

1E-19

1E-18

1E-17

1E-16

1E-15

1E-14

1E-13

1E-12

1E-11

1E-10 C Ti Fe C Ti Fe

Coe

ficie

nte

de d

ifusã

o D

[m2 /s

]

Temperatura [oC]6>

Variação do coeficiente de difusão D no ferro:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⋅−

⋅=TR

QexpDD o

austenitaFeγ

Feγ

Feα

ferritaFeα

Tratamentos Termoquímicos

7>

Exemplo da difusão de carbono através da superfície:

concentraçãode

carbono

Tratamentos Termoquímicos

superfície centro

austenita

Tratamentos Termoquímicos

8>

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 1,5mmdurezas superficiais 50 – 65 HRCprocessos 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”)

Vacuum Carburizing and Heat treating:

Tratamentos Termoquímicos

9>http://www.youtube.com/watch?v=pYQuqNFG2ro

Tratamentos Termoquímicos

10>

Cementação em caixa:

22 COOC →+

CO2CCO2 →+

23 COCFeCO2Fe3 +→+32

3

BaCOCOBaOCO2BaOCBaCO

⇔+

+⇔+

O carbono existente no carvãoreage com o oxigênio do ar, formando o dióxido de carbono. O carbonato de bário acelera o fornecimento de monóxido de carbono, induzindo a formaçãode cementita na superfície dapeça cementada.

BaCO3 – 5 a 20%

11>

Cementação em aços:Pretende-se criar uma camada com 0,25%C (no mínimo) apóscementação a 1000°C durante 1 hora. Supondo que a disponi-bilidade de carbono seja 1,5% na superfície temos:

17,05,125,0

cco ≈= ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⋅−=

tD2xerf1

cc cosendo

97,0tD2

x83,0tD2

xerf cc ≈⋅

→≈⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⋅Usando tabelas

Considerando os dados de difusividade do carbono temos

s/m107,2)2731000(314,8

107,135xpe1010,0D 2113

4 −−γ ⋅≈⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

+⋅⋅−

⋅⋅=

mm6,0x)3600()107,2(297,0x c11

c ≈→⋅⋅⋅⋅= −

Logo, a espessura da camada cementada será estimada em

Tratamentos Termoquímicos

Tratamentos Termoquímicos

12>

Camada cementada:

Micrografia de camada cementada, conseguida após 4 horas a 1000°C,

mostrando visível gradiente de concentração pela presença da

cementita. Ataque: nital..

superfície

Macrografia de uma engrenagemmostrando camada cementada comtrincas resultantes de tratamento.

Ataque: reativo de iodo.

30 mm

0,4 mm

Tratamentos Termoquímicos

13>

Efeito da temperatura e tempo na cementação:

825°C

850°C

875°C

900°C925°C950°C

Tratamentos Termoquímicos

14>

Dureza e profundidade da camada cementada:

Aços:

1020 (C)

4620(Ni, Mo)

8620(Ni, Cr, Mo)

Tratamentos Termoquímicos

15>

Nitretação: enriquecimento da superfície com nitrogênio, utilizando meios gasosos ou líquidos nitrogenadosque contribuem para a formação de Fe2N.

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;

Tratamentos Termoquímicos

16>

Nitretação em meio gasoso:

sais de sódio: Na(CN); Na2CO3; Na(CNO);

sais de potássio: K(CN); K2CO3; K(CNO); KCl;

23 H3N2NH2 +→

Nitretação em meio líquido:

Nitretação a Plasma (PN) - mistura gasosa: 80% H2 + 20% N2 (v/v)• pressão na câmara: 500Pa (5mBar) a 400 - 500°C durante 5 horas.

Nitrocementação a Plasma (PNC) - 77% H2 + 20% N2 + 3% CH4 (v/v)• pressão na câmara: 500Pa (5mBar) a 400 - 500°C durante 5 horas.

Tratamentos Termoquímicos

Plasma: The 4th State of Matter

http://www.youtube.com/watch?v=VkeSI_B5Ljc17>

• 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).

Tratamentos Termoquímicos

18>

Nitretação (PN)/Nitrocementação (PNC) em aço inoxidável superaustenítico:

e = 4,5 ± 0,3μm e = 10,0 ± 1,0μm e = 22,0 ± 2,0μm

e = 10,1 ± 0,5μm e = 20,0 ± 2,0μm e = 31,0 ± 3,0μm

Fern

ande

s et

al. E

BR

ATS

(201

2)

Tratamentos Termoquímicos

19>

Camada nitretada:

Micrografia tirada de açobaixo carbono mostrandoa camada nitretada (branca)uniforme na superfície.

Gráfico comparativo entreos diversos processos denitretação de aços.

Tratamentos Termoquímicos

20>

Cianetação: enriquecimento da superfície com carbono enitrogênio, utilizando um banho de cianeto fundido ouuma 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).

Tratamentos Termoquímicos

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: HeatTreating. 10th ed., 1991.

21Notas 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/