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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.
Seleção de Materiais
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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
Seleção de Materiais
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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
Seleção de Materiais
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Prevenção
Seleção de Materiais
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Técnicas de Engenharia de Superfície :
Espessura afetada pelas diferentes técnicas tem de ser considerada na fasede projeto
Seleção de Materiais
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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)
Seleção de Materiais
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Solicitação na superfície: desgaste
Seleção de Materiais
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
Seleção de Materiais
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
Seleção de Materiais
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Seleção final
Condições deoperação
Seleção doprocesso(compatível com omaterial e com o
substrato)
Seleção domaterial
Seleção de Materiais
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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
Seleção de Materiais
Chama
InduçãoLASER
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Tempera superficial
Tempera de uma fina camada na superfície do componente
Características gerais:
Relação tempo-temperatura
Seleção de Materiais
Transformação em função do tempo
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Estrutura inicial
Taxa de aquecimento
Tempera superficial
Seleção de Materiais
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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
Seleção de Materiais
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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.
Seleção de Materiais
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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
Seleção de Materiais
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Tempera por ChamaProcessos estacionário e progressivo
Processo rotativo
Seleção de Materiais
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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
Seleção de Materiais
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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)
Seleção de Materiais
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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.
Seleção de Materiais
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Tempera por InduçãoMétodo de aquecimento versátil de metais condutores, que permiteum endurecimento uniforme e localizado da superfície.
Seleção de Materiais
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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
Seleção de Materiais
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
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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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Seleção de Materiais
Tratamentos termoquimicos
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Tratamentostermoquimicos
Cementação
Nitretação
Boretação
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
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
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
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
Seleção de Materiais
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
Seleção de Materiais
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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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Seleção de Materiais
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