aula 14: tratamentos termoquímicos e desgaste

Aula 14: Tratamentos Termoquímicos

e Desgaste

Tipos de Tratamentos Termoquímicos:

• Os Principais tipos de tratamentos termoquímicos são:

• Cementação ( C );

• Nitretação ( N );

• Cianetação ( CN );

• Carbonitretação (C + N );

• Nitrocarbonetação ( N + C );

• Boretação ( B );• Tratamentos Termorreativos ( Cx + Nx + CyN2x)( V, Nb, Ta, Cr, W e Mo).

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Difusão Termoquímica

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“É a matéria sendo transportada através da matéria”

No caso da ligas a difusão é realizada concomitantemente pela:• Superfície;• Contorno de Grão;• Através do volume sólido (Grão);

Dentro dos grãos a movimentação dos átomos se dá:• Através dos defeitos na rede cristalina• Através dos interstícios• Forçosamente substituindo átomos

Difusão Termoquímica

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A difusão termoquímica recebe este nome, pois a energia de ativação “Q” é a energia térmica.

Assim sendo:

Q volume (grão) > Q contorno de grão > Q superfície

Os gradientes energéticos facilitam a movimentação de átomos através da estrutura sólida. A facilidade dedifusão é inversamente proporcional a maior quantidade de energia de ativação (coeficiente de difusão).

Fotomontagem da Cementação:

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Cementação/Carbonetação:

•Definição: Define-se como Cementação ou Carbonetação a introdução de Carbono na superfície do aço de modo que quando depois de temperado, esta superfície apresente-se mais dura que as demais partes da peça tratada.

Tipos Cementação:• A altas temperaturas - (Profundidade);

• Sólida ou “em caixa” - (Resfriamento lento e C sólido);

• Liquida – Através de banhos de sais fundidos;

• Gasosa – Utilização de gases (CH4, C2H6, C3H8,etc.);

• Vácuo;

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Cementação/Carbonetação:

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Análise da camada cementada:

• Concentração de carbono antes do tratamento;

• Tempo do tratamento (+ t) (+ C);

• Temperatura (+T) (+C );

• Agente Carbonetante (Facilidade de fornecer carbono);

• Velocidade de Fornecimento do Agente Carbonetante (Inércia química).

Cementação/Carbonetação:

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Relação entre profundidade e temperatura na cementação:

Cementação/Carbonetação:

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Cementação a altas temperaturas:

Cementação/Carbonetação:

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Reações fundamentais na cementação:

Reação com gás carbônico (CO):

2 CO(g) + 3 Fe(s) → Fe3C(s) + CO2 (g)

Reação com gás metano (CH4):

CH4(g) + 3 Fe(s) → Fe3C + 2 H2 (g)

Cementação/Carbonetação:

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Tratamentos Térmicos na Cementação:

• Normalização: Para permitir usinagem e retificação das peças. Acontece anteriormente ao processo de cementação, ou seja, antes do tratamento propriamente dito;

• Têmpera: Aumento da dureza ( maximização da capacidade de endurecimento conseguida pela cementação). Acontece posteriormente ao tratamento de cementação.

Tipos de Tratamentos Termoquímicos:

• Cementação sólida ou em caixa:

• Carvão + O2 →CO2

• Carvão + CO2 →CO• Gás tóxico e muito venenoso

• BaCO3 + Carvão → BaO + CO + Energia• Substância ativadora (ou outros carbonatos);

• [2 CO + 3Fe → Fe3C + CO2]

• [(C) + 3Fe → Fe3C ]

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• Cementação sólida ou em caixa:

• Substâncias carbonáceas são sólidas portanto cementação sólida;

• Misturas carburizantes: carvão de madeira; aglomerado com 5% à 20% de óleo comum ou óleo de linhaça;

• Substância ativadora (50% à 70% de carbonato de bário).

Tipos de Tratamentos Termoquímicos:

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• Cementação sólida ou em caixa:

• Utilização de grande variedade de Fornos;

• Precisam de resfriamento lento após a cementação;

• Dificuldade de desempacotamento das peças

• Processo de cementação mais lento;

• Temperaturas usuais: 815 a 955°C (às vezes 1095°C);

• Profundidade da camada cementada (0,6 a 6,9mm);

• Material das caixas: aço carbono revestida de alumínio > aço inox > aço C.

Tipos de Tratamentos Termoquímicos:

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• Cementação sólida ou em caixa:

Tipos de Tratamentos Termoquímicos:

Forno Industrial Jung TT 200

Forno Industrial Jung TT 200

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• Cementação Gasosa:

• CH4 → (C) + H2

80 a 90% do gás natural (gás metano);

• C2H6 → (C) + CH4 + H2

10 a 20% do gás natural (gás etano);

• C3H8 → (C) + XC2H6 + YCH4 + 2H2

(gás propano)

• + Gás veiculo (diluir o gás cementante e não deixar diminuir a temperatura devido as reações).

Tipos de Tratamentos Termoquímicos:

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•Cementação Gasosa: Caracterísitcas

•Cementação mais limpa que a sólida;

•Tratamento mais complexo (segurança, controle e técnica de operação);

•Profundidade da camada cementada: 0,5 a 2,0mm;

•Equipamento de cementação gasosa é bastante caro (Possibilidade de processo continuo);

•Temperatura e tempo (profundidade de difusão);

•Possibilita têmpera direta (Evitando o resfriamento).

Tipos de Tratamentos Termoquímicos:

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•Cementação Gasosa: Equipamentos

Tipos de Tratamentos Termoquímicos:

Forno para cementação gasosa à atmosfera controlada.

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•Cementação Gasosa: Equipamentos

Tipos de Tratamentos Termoquímicos:

Equipamento para cementação gasosa processo continuo.

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•Cementação por banho de sais: Cementação Líquida.

• 2 NaCN → Na2CN2 + (C)

• 2 CO + 3Fe → Fe3C + CO2

• NaCN + CO2 → NaCNO +CO

• Profundidade da camada cementada:• Banhos para baixa temperatura:0,13 a 0,25mm;

• Banhos para alta temperatura:0,5 a 3,0mm;

• Proteção efetiva contra a descarbonetação;

• Produz resíduos tóxicos de cianeto.

Tipos de Tratamentos Termoquímicos:

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•Cementação por banho de sais: Cementação Líquida.

Tipos de Tratamentos Termoquímicos:

Forno para cementação líquida- com aquecimento externo.

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•Cementação por banho de sais: Cementação Líquida.

Tipos de Tratamentos Termoquímicos:

Forno para cementação líquida- com aquecimento externo.

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•Cementação a Vácuo:

Processo similar a cementação gasosa. Os gases são evacuados epreenchidos com gás nitrogênio. As peças são imediatamente temperadas.

Tipos de Tratamentos Termoquímicos:

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•Cementação a Vácuo:Tipos de Tratamentos Termoquímicos:

Forno de câmara simples.

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•Cementação a Vácuo:Tipos de Tratamentos Termoquímicos:

Forno de câmara dupla.

Nitretação

• Aços para Nitretação;• Microestrutura cementada;

• Nitretação:• Niagrama de equilíbrio Ferro-Nitrogênio;

• Nitretação a gás;

• Aços empregados na nitretação;

• Forno para nitretação gasosa;

• Nitretação a plasma.

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Aços para Cementação:

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Aços Carbono:

• Superfície resistente ao desgaste com núcleo tenaz

• 1016 / 1018 / 1019 / 1022

• Peças pequenas / temperadas em água;

• Aplicações onde não é exigido baixa distorção.

Aços Baixa-liga:

Aços Média-liga

• Superfície resistente ao desgaste/núcleo resistente e dútil;

• 4023 / 5110 / 4118 / 8620 / 4620;

• Temperados em óleo / baixa distorção;

• aplicações onde é exigido menor distorção;• 4320 / 4817 / 9310.

Microestrutura Cementada:

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Nitretação:

• Definição: Introdução de Nitrogênio na superfície do aço• Temperatura do tratamento: 500 a 570°C• Não é necessário têmpera posterior.

• Tipos de nitretação:• Gasosa;• Líquida;• Iônica ou a plasma.

• Razões de se fazer a nitretação:• Obter altíssima dureza superficial (70Rc) e alta resistência ao desgaste;• Melhorar a resistência à fadiga e a corrosão (exceto para os aços inoxidáveis).

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Nitretação a gás:

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Nitretação a gás:

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Aços empregados:

• Aços de baixa liga contendo alumínio;

• Aços de médio carbono, ao cromo, das séries 41xx, 43xx, 51xx, 61xx, 86xx, 87xx e 98xx;

• Aços ferramenta com 5% cromo;

• Aços inoxidáveis nitrônicos, Ferríticos, Martensíticos;

• Aços conter alumínio ou cromo (Ideal série Nitraloy – 1%Al e 1,2%Cr).

Nitretação a gás:

• Têmpera e revenimento a 25°C acima da temperatura de nitretaçãopara garantir estabilidade dimensional;

• Usinagem grosseira;

• Revenimento para alívio de tensões a (500°a 600°C);

• Usinagem Final;

• Nitretação;

• Retífica.

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Nitretação a Gás:

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Forno de Nitretação Gasosa:

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Nitretação a Plasma:

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Nitretação a Plasma:

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Nitretação a Plasma:

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Desgaste

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Há outros tipos de desgaste

Custo: 4,5% PIB (R$4,84 trilhões)

Brasil: R$217,8 bilhões

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DESGASTE

• Definição (ASTM): degradação da superfície de um sólido

que e geralmente envolve perda progressiva de material,

devido ao movimento relativo desta superfície com uma ou

mais substâncias em contato

• Tribologia: ciência que estuda o desgaste e o atrito, ou seja,

a interação de superfícies em movimento e de técnicas

relacionadas às mesmas

• Onde há atrito há desgaste

• Para vencer o atrito são despendidas quantidades enormes

de energia

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ATRITO

EFEITOS NEGATIVOS

Se o atrito não existisse a eficiência de motores, transmissões,

etc. aumentaria.

O tempo de vida de componentes e equipamentos aumentaria.

Não haveria desgaste, desajustes, vibrações e ruídos.

EFEITOS POSITIVOS

Sem o atrito não seria possível escrever com um lápis.

Também não seria possível andar, nem brecar um carro.

Qualquer objeto colocado sobre um plano levemente inclinado

não pararia no lugar.

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a) polimento eletrolítico

b) superfície torneada

c) superfície laminada

• Depende da interação entre asperezas

• A área de contato real é diferente da

área aparente.

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Ti-W(TiC)

Os principais fatores de desgaste são:

• Material: Dureza, tenacidade, composição química,

constituição e microestrutura.

• Processo: Materiais em contato, pressão, velocidade,

temperatura e acabamento superficial.

• Outros: Lubrificação, corrosão.

Cilindro de laminação

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• De acordo com a norma DIN 50320 há quatro

mecanismos básicos de desgaste :• Adesão

• Abrasão

• Reação tribo-química

• Fadiga superficial

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Desgaste adesivo: ocorre quando duas superfícies escorregam uma

em relação à outra. Pressões locais muito altas são exercidas pelas

asperezas em contato, com deformação plástica, adesão e formação

de junções.

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In the automotive industry, aluminium sheets are increasingly used to reduce the weight of the automotive bodies. A problem that occurs during the forming process is the tendency of aluminium sheets to cause adhesive wear. This has an adverse effect on the quality of the formed parts and the stability of the process. Moreover, production downtimes and reparations result in high costs.

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•Desgaste abrasivo: ocorre quando há deslocamento de material provocado

por partículas de alta dureza existentes entre as duas superfícies em

movimento ou embebidas em uma ou nas duas superfícies em movimento.

•As partículas de alta dureza podem ter como origem, por exemplo, o produto

do processamento de minérios (sílica, alumina, etc.), fragmentos metálicos

altamente encruados removidos das superfícies em contato ou asperezas de

usinagem de uma das superfícies em contato.

Abrasão a dois corpos e a três corpos

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• Desgaste por fadiga: ocorre pela formação de trincas

superficiais ou sub-superficiais devido a aplicação de cargas

alternadas repetidas e lascamento do material

• Sequência do fenômeno: deformação elástica, seguida de

deformação plástica, encruamento, nucleação de trinca e

propagação da trinca.

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• Desgaste por reação tribo-química: pode ser caracterizado

como sendo decorrente do contato de duas superfícies em

movimento e que reagem com o ambiente

• O desgaste se processa pela contínua remoção e nova

formação de camadas de produtos de reação sobre a

superfícies em contato.