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Seleção de Materiais

Seleção pelos requisitos da superfície

(solicitação na superfície é determinante)

Resistência a corrosão

Resistência ao desgaste

Processamento de superfícies

Seleção pelas propriedades mecânicas:

Resistência estática

Tenacidade

Rigidez

Fadiga

Fluência

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Seleção de Materiais

Demandas concentradas nasuperfície

Engenharia de Superfície 

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A ENGENHARIA DE SUPERFÍCIES engloba uma séries de técnicascom um mesmo objetivo, o de melhorar o desempenho de

produtos/componentes.

Permite que a superfície do componente atenda a exigênciasespecíficas e distintas daquelas exigidas para o substrato.

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Objetivos:Resistência ao desgaste

Resistência a corrosão, oxidação e/ou sulfatização

Melhorar prop. mec. como resistência a fadiga ou tenacidade

Reduzir perdas por fricçãoMelhorar prop. elétricas

Melhorar isolamento térmico

Melhorar aparência

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Abordagens da Engenharia de Superfície :

Modificação da Superfície Adição de Camada Superficial

Sem alteração da composição

TêmperaFusão

Com alteração da composiçãoProcessos termoquimicosImplantação iônica

Hardfacing

Soldagem (processos com fusão dosubstrato)Aspersão térmica (processos sem

fusão do substrato)

RevestimentosCVD, PVD

Filmes finos

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Prevenção

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Técnicas de Engenharia de Superfície :

Espessura afetada pelas diferentes técnicas tem de ser considerada na fasede projeto

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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)

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Solicitação na superfície: desgaste

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Tipos de desgaste de acordo com o movimento relativo:

Deslizamento Impacto Rolamento

Deslizamento

Impacto

Rolamento

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Tipos de contato abrasivo

Modos de erosão

Solicitação na superfície: desgaste

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Efeito sinérgico entre mecanismos de corrosão e de desgaste:

um processo amplia os efeitos do outro

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Abrasão:Remove revestimentos e a camada de óxido protetora e expõem a superfície do metal, podenso aindaremo ver particulas do metalForma entalhes microscópicos e identações favorecendo a corrosão eletroquimicaAumenta a área real exposta a corrosãoElimina camadas encruadas/jateadasPromove microtrincas nas materiais frágeis favorecendo o arrancamento de materialElevada deformação plástica encrua asuperfície e aumenta a susceptibilidade ao ataque quimico

CorrosãoProvoca pits que induzem microtrincasAs microtrincas nos pits favorecem o arrancamento do metal no impactoAumenta a rugosidade da superfície, reduzindo a energia necessária para remover o material porabrasãoPode originar hidrogênio, absorção e trincamento de açosAtaque selectivo dos contornos de grão e de fases menos nobres, fragilizando o material

Impacto:A deformação plástica torna alguns constituintes mais susceptiveis a corrosãoTrinca constituintes frágeis, rasga constituintes ducteis formando locais favoraveis para corrosão porfrestas e arrancamento de materialFornece energia cinética necessária para intensivar o mecanismo de abrasãoPressuriza o água incentivando mecanismos como cavitação, erosão e oxidação do metal protetorPressuriza água e gases aumentando temperatura, alteração de fases decomposição ou reação deprodutosAumentando os efeitos do processo corrosivo

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Importância do substrato:

Adaptação interface

- Camada de amanteigamento

- Combinação de processos

Seleção do aço adequado

Aços médio C  – tempera superficial

Aços baixo C  – cementação

Aços ligados  – nitretação

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Seleção final

Condições deoperação

Seleção doprocesso(compatível com omaterial e com o

substrato)

Seleção domaterial

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Seleção de Materiais

Técnicas de processamento desuperfícies

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Tempera superficialOs diferentes processos de tempera superficial diferem entre si

em função da fonte de energia usada para austenitizar asuperfície e os meios de resfriamento

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Chama

InduçãoLASER

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Tempera superficial

Tempera de uma fina camada na superfície do componente

Características gerais:

Relação tempo-temperatura

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Transformação em função do tempo

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Estrutura inicial

Taxa de aquecimento

Tempera superficial

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Tensões residuais: tempera superficial vs tempera plena

 ’

 

 ’

NúcleoTenaz

Superfície expande devido àtransformação martensítica; para“manter “ a continuidade o núcleo

é tracionado para acompanhar asuperfície externa

O núcleo do componente que não foiaquecido, tende a “manter“ acontinuidade do material “puxando” asuperfície externa para as dimensõesiniciais, provocando assim uma tensãode compressão

Tempera superficial

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Tempera por ChamaAplicação direta de uma chama (combustão de uma mistura gasosacom oxigênio ou ar)sobre a superfície do componente.

A temperatura é elevada até a região da transformação da austenita. Atemperatura correta é determinada pela cor do aço, e depende daexperiência do operador.A profundidade de endurecimento pode ser aumentada pelo

prolongamento do tempo de aquecimento. Podem ser atingidasprofundidades de até 6,3 mm.

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Tempera por Chama

ESCOPO E APLICAÇÕES Componentes com dimensões tão grandes que tornem o aquecimento

convencional em forno e tempera impraticáveis ou economicamenteinviáveis.

Tratamento de uma pequena área ou seção da peça ou quando otratamento térmico da peça como um todo é prejudicial.

Rigor dimensional da peça impraticável, difícil de obter ou controlar com osprocessos convencionais.

Utilização de materiais menos nobres (mais baratos), levando a umaredução do custo total quando comparado com outras técnicas

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Tempera por ChamaProcessos estacionário e progressivo

Processo rotativo

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Seleção de MateriaisTempera por Chama

Processo rotativo

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PROCESSAMENTO

Condições da superficie:interferência com o aquecimento e tempera:

superaquecimento localizado, inicio de trincas, dureza não uniforme.

Tempera por Chama

Condição da superfície Efeito após tempera

Costuras, dobras ou sobreposições de componentes

processados mecanicamente

Aquecimento localizado (podendo nos casos mais graves

ocorrer fusão superficial), com consequente crescimentode grão, fragilização, e elevada tendência a trincar

Poros de solidificação

Incrustações decorrentes de tratamentos anteriores Efeito isolante no aquecimento, resultando emaquecimento e tempera não uniforme. Pontos macios nasuperfície

Ferrugem

Descarbonetação Quando muito severo, o material não responde àtempera, não endurecendo

Soldagens de materiais dissimilares Região soldada e material de base reagem de formadiferente ao tratamento de tempera; solda pode quebrarexigindo operações de re-soldagem ou sucateamento docomponente

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PROCESSAMENTO - Fatores relevantes:

•Pré-aquecimento•Meio de tempera

Temperaestacionária

Tempera

progressiva

Temperarotativa

Temperarotativa

Tempera por ChamaSeleção de Materiais

Efeito na profundidadede tempera

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PROCESSAMENTO - Fatores relevantes:

•Revenido por chama•Dureza da camada tratadaDepende do teor de C; maior temperabilidade maior profundidade

•Controle dimensional:maior controlo que nos processos de tempera convencionais, depende:tamanho e geometria da peçaárea e profundidade aquecida,

temperabilidade do aço

meio de tempera

•Seleção do materialaços temperáveis (fundidos ou deformados) e ferros fundidos

Tempera por ChamaSeleção de Materiais

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Tempera por Chama

Seleção do material:

Aços carbono: 0.37 a 0.5%C mais usados, seções de até 13mmpodem ser 100% temperadasos mais recomendados são 1042 e 1045, excepto:

- Aço 1045 não tempera com um dado meio de tempera.- Quando é necessária uma maior profundidade de tempera.- Aplicações onde a resistência ao desgaste é o principal item, é

aconselhável aumentar o teor de carbono para0.6%C ou mais.- Quando se necessita um meio de tempera mais severo paraatender as exigências de dureza superficial, resultando em trincassuperficiais, então deve-se selecionar um aço de maiortemperabilidade - maior teor de carbono ou elementos de liga.

Aços liga- Elevada resistência do núcleo de componente, obtida por

tratamento térmico antes da tempera por chama- O peso e geometria das peças, possibilidade de distorção e de

trinca, exclui os aços carbono- Alguns aços ligados são adquiridos com maior facilidade do que

alguns aços carbono(ex: aço com elevado teor de carbono e

manganês)

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Tempera por Chama

Seleção do material:Ferros Fundidos:- Ferros fundidos cinzentos, ducteis, e maleáveis perlíticos, com teores de carbono

combinado entre 0.35% e 0.8%, terão a mesma resposta que os aços.- Abaixo de 0.35% de carbono combinado os ferros fundidos não repondem ao tratamento

devido à falta de capacidade da austenita para dissolver a grafita durante os curtos temposde aquecimentos envolvidos no processo de tempera superficial (por isso o FF maleável

com todo o C na forma de grafita não é utilizavel).- Acima de 0.8% de carbono combinado, apresenta fragilidade e susceptibilidade para

trincar quando aquecido e temperado rápidamente.

O fator mais importante na resposta dos FF é a sua microestrutura antes da temperapor chama:

- FF sem ferrita na sua microestrutura exigem curtos tempos de austenitização, para seobter a tempera final.

- Quantidades moderadas de ferrita, exigem elevados tempos de austenitização, paraque após resfriamento se obtenha a dureza necessária.- Matrix de perlita fina, apresenta uma resposta muito rápida à tempera superficial, comexcelente suporte do núcleo à camada endurecida.

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Tempera por InduçãoMétodo de aquecimento versátil de metais condutores, que permiteum endurecimento uniforme e localizado da superfície.

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Tempera por Indução

O aço é aquecido por um campo magnético gerado por uma correntealternada de alta frequência que passa através de um indutor ( bobina decobre resfriada a água).Campo gerado depende da resistência da corrente e do n. voltas dabobina

Anulamento de campo

Colocar próximo da peça a tratar, maior n. delinhas de fluxo, melhor o aquecimento

Seleção de Materiais

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Tempera por Indução

Efeito da temperatura na resistividade

elétricaResistividade elétrica e aspropriedades magnéticas dos metaisvariam com a temperatura.

temperatura aumenta =>,permeabilidade magnética diminui (até seatingir a temperatura de Curie)

A diminuição da permeabilidade magnéticacom a temperatura significa a perda daspropriedades ferromagnéticas e da facilidadedestes aços serem aquecidos por indução.

Seleção de Materiais

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Tempera por InduçãoBobinas diversas:

1 volta

Várias voltas

Tratamentos seletivo

Tempera roda dentada

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Zona tratada

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A peça é colocada no interior de uma bobina submetida à passagem de corrente

alternada. O campo energiza a peça, provocando seu aquecimento. Dependendo dafrequência e da corrente, a taxa e a profundidade de aquecimento podem sercontroladas.

Têmpera por indução

Seleção de Materiais

varredura

estacionário

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Possíveis problemas:• Pontos macios: resulta de bolsas de vapor que se formamna superfície da peça evitando o seu rápido resfriamento

• Trincas de tempera: podem ocorrer devido a severidade detempera excessiva, tempera não uniforme, rugosidade superficial.

• Distorção do componente: ocorre em consequência doalivio de tensões residuais, aquecimento desigual tempera nãouniforme ou geometria do próprio componente.

Tempera por Indução

Seleção de Materiais

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Tempera a LASERFonte de luz com a qual se pode aplicar quantidade de energia pré-determinadas em regiões especificas de um componente.Variando a potência do laser, a profundidade de absorção do calorpode ser controlada.

Seleção de Materiais

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Feixe de laser incide numasuperfície, parte da suaenergia é absorvida comocalor na superfície

aquecimento e resfriamento rápidospequenas ZTApequenas distorções do componentenão afeta as propriedades no interiordo componente.

Elevadas densidadesde potência

+

curtos tempos deinteração

Parâmetros deprocessamento

Tempera a LASER

Seleção de Materiais

S ã

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Tempera a LASER

Laser CO2 – superficie revestida comgrafite ou óxido de ferro para reduzir

refletividadeOutros lasers (Nd/Yag; diodos) nãonecessitam de revestimento

Dimensão do spot do feixe:determinanda no fabricante 2-3mm

Seleção de Materiais

S l ã d M i i

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Taxa de aquecimento: ~106

K s-1

Taxa de resfriamento: 104 K s-1

Auto-tempera porcondução térmicano substrato

Transformação martensíticaem aço de muito baixo C, semdistorçao e trincas superficiais

Profundidades de tempera

Tempera a LASER

Seleção de Materiais

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Sobreposição de pistas

escoamento de calor lateral -> revenimento de regiões vizinhas

Este efeito é tanto mais pronunciado quanto menor for a velocidade de processamento.

Regiões macias são prejudiciais:- podem ser aproveitadas paraacomodar as tensões das áreas vizinhas

mais duras.- deverão localizar-se em áreas menossolicitadas

Tempera a LASERSeleção de Materiais

S l ã d M t i i

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Principais vantagens:

Controlo rigoroso da potência utilizada e aplicada ao materialElevada densidade de potência em áreas selecionadas, minimiza a energiatotal introduzida e consequentemente a distorção dimensional,

Capacidade de alcançar áreas de difícil acesso.Não requer vácuo ou atmosfera controlada, permite que a distância à peçaseja grandePossibilidade de processar peças de geometria complexa e irregular

Principais desvantagens:profundidade tratada limitada a 2.5mm ou menosinvestimento inicial muito grande.

Tempera a LASER

Seleção de Materiais

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Requer densidades de potênciasmais elevadas que a tempera.

Endurecimento de ligas que não

podem ser temperadas ex.: ferrosfundidos maleável ferriticos, a fusãoaumenta a difusão do carbono,após um resfriamento rápido obtém-se uma região endurecida

Fusão superficial por LASER

Seleção de Materiais

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Alterações da microestrutura:refinamento de grãosoluções sólidasfina dispersão de precipitados

Em qualquer dos casos sempre ocorreum aumento da resistência e da durezada superfície

Superfícies tratadas sob a proteção de umgás inerte para evitar oxidação.

A rugosidade da superfície tratada émaior do que na tempera e depende dasvariações dimensionais que acompanham asalterações da microestrutura

Fusão superficial por LASER

Seleção de Materiais

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Tratamentos termoquimicos

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Tratamentostermoquimicos

Cementação

Nitretação

Boretação

Seleção de Materiais

Seleção de Materiais

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Cementação

•Realizado em campo austenítico

•Aços de baixo teor de C (0.15-0.35%) adquirem até 0.7-0.9%CSeguido 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 ecatalizador BaCO3

Vácuo

~1050°C

Aquecimento abaixa pressão,adição de CH3 ouC5H12

Plasma

~1050°C

Aquecimento a baixapressão CH3; glowdischarge deposita C emsuperfície uniformementecarregadas

Seleção de Materiais

Seleção de Materiais

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Cementação a gás : método mais usado. Aatmosfera rica em carbono resulta de um gás

endotérmico enriquecido com metano ou propano. Atempera posterior é feita em óleo; muitos componentescementados são submetidos a martempera que ocorre atemperaturas mais elevadas.

Cementação em caixa : componentes sãocolocados em uma mistura a base de carvão com

ativadores em uma caixa fechada que posteriormente éaquecida.

Cementação em vácuo e por plasma :ambos os processos usam uma câmara de vácuo comcom gás de hidrocarbonetos como fonte de C. A principalvantagem deste processo é a ausência de oxigênio daatmosfera do forno.

Cementação em banhos de sais : sais decianetos, cianatos ou misturas de carbono e carbonatos.Adequados para produzir finas camadas cementadaspois o tempo de tratamento pode ser rigorosamentecontrolado.

CementaçãoSeleção de Materiais

Seleção de Materiais

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Aço SAE 8620, camada

tratada: 1.5mm

T versus t

A profundidade de cementação e adureza têm de adequadas para o tipode solicitação que a superfície vaiestar exposta.

Profundidade vs tempo

Cementação

Seleção de Materiais

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•Características

•Excelente “aderência” da camada tratada, emconsequência do suave gradiente de C (de microestruturae propriedades) entre a superfície e o interior da peça. Deum modo geral quanto mais profunda a camada tratadamenos 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 doselementos de liga e com a diminuição da velocidade detempera.•Estruturas compostas de martensita e carbonetosprimários grosseiros, ou rede de carbonetos ou com umafina dispersão de carbonetos também podem serproduzidas

Cementação

Seleção de Materiais

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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 podemconter ou não elementos de liga.

Os aços para cementação são comumente empregados em peças que, além das

solicitações mecânicas comuns de tração, flexão, torção, etc., estão ainda sujeitasa impactos bem como um forte desgaste na camada periférica, tais comoengrenagens, coroas, pinhões, pinos, buchas e peças diversas de veículos emáquinas em geral. Para satisfazerem a esses requisitos, as peças devemapresentar uma camada periférica dura, suportada por um núcleo tenaz eresistente.

Seleção de Materiais

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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

Altatemperabilidade

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

Altatemperabilidade

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

Médiatemperabilidade

SAE 5115 0,13 -0,18

0,20 -0,35

0,70 -0,90

0,70 -0,90

- - Baixatemperabilidade

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Aços para cementação

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Têmpera dupla, com resfriamento lento após a

cementaçãoReduz a ocorrência de austenita retida. É o ciclo que possibilita o maiorrefino de grãos do núcleo de da camada cementada.

Requer dois aquecimentos adicionais até as temperaturas de têmperaem meio que proteja a peça contra descarbonetação. Favorece aocorrência de deformações pelas sucessivas sequências deaquecimento e resfriamento.

Têmpera simples da camada cementada com resfriamentolento após a cementaçãoAlém 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 têmperamais elevadas produzirão núcleos mais resistentes e menos tenazes.

Requer um aquecimento adicional até a temperatura de têmpera em meioque proteja a peça contra descarbonetação. Favorece a ocorrência dedeformações, acentuando-se essa tendência para temperaturas maiselevadas.

Têmpera diretaSimplicidade. Não requer aquecimentos subsequentes nem proteção

contra descarbonetação.Tendência a apresentar austenita retida no caso dos aços ligados. Onúcleo fica totalmente endurecido

Ciclos de cementação

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Seleção de MateriaisNitretação

N difunde na peça para formar nitretos com Al, Ti, Mo, etc.

Realizada na faixa de temperatura de400-600ºC, na presença da fase ferriticanos aços (pode ser realizada em aços austeniticos que contenham formadores denitretos)Para aços com 0.4%C que tenham sido tratados termicamente antes danitretaçãoIdeal para aços que possam ser revenidos nas T de nitretação

Dureza obtida pode ser mantida até 500C (T superior a T d decomposião damartensita)Produz tensões residuais compressivas

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Pode formar camada branca frágil(nitretos de ferro). Necessita decontrol rigoroso do processo

Nitretação

Efeito do tempo denitretação na profundidadeda camada nitretada

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Efeito da composição química do aço

Seleção de MateriaisNitretação

Aço carbonoAço ligado

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Nitretação a PlasmaNitretação gasosa

6 um12 um

Metal de

sacrifício

Camada branca

Camada dedifusão(0,2 mm)

0

0,5

1

1,52

2,5

3

3,5

4

500 3000

Distância percorrida (m)

   Δ   P  e  r   d  a   d  e  m  a  s  s  a

Plasma

Nitrocarburizada

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Distância da superfície (mm)

   D  u  r  e  z  a

   (   H   V   1   ) Plasma

Nitrocarburizada

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Distância da superfície (mm)

   D  u  r  e  z  a

   (   H   V   1   ) Plasma

Nitrocarburizada

Seleção de MateriaisNitretação

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Seleção de Materiais

Boretação


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