Download - Tratamentos térmicos e termoquímicos
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1Tratamentos trmicos etermoqumicos
Principais tratamentos trmicos Recozimento Normalizao Tmpera / RevenidoPrincipais termoqumicos Cementao Nitretao
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2Tratamentos Trmicos
conjunto de operaes de aquecimento e resfriamento a que so submetidos os metais, sob condies controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de aquecimento e de resfriamento, com o objetivo de alterar suas propriedades ou conferir caractersticas determinadas.
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3Os principais objetivos
remoo de tenses internas (oriundas de resfriamento desigual, trabalho mecnico ou outro).
Ou
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4 Modificao de: dureza, resistncia mecnica, ductilidade, usinabilidade, resistncia ao desgaste, propriedade de corte, resistncia corroso, resistncia ao calor, propriedades eltricas e magnticas.
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5Possibilidade de Tratamento Trmico
Devido a: Recristalizao (Ocorre para os materiais e ligas a diferentes temperaturas. Deve
apresentar um mnimo de encruamento e ser aquecido temperatura adequada.)
Modificao de fase (Ocorre em muitas ligas metlicas com a alterao da temperatura, no
estado slido.)
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6Ligas que podem ser tratadas
Ligas com eutetide e modificao de fase Ferro-Carbono Cobre-Alumnio Cobre-Estanho
Ligas com modificao de solubilidade Ferro-Carbono Alumnio-Cobre Cobre-Prata Cobre-Cromo
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7Diagrama de Equilbrio Fe-Fe3C
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8Recristalizaohistrico
1. Material apresenta gros2. Ao deformar, os gros "desaparecem"
acreditou-se na "perda de cristalinidade"3. Aps aquecer material deformado por um
certo intervalo de tempo, os gros surgiam novamente RECRISTALIZACO
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9Conhecimento atual de deformao e recristalizao de metais e ligas
1. A deformao implica em movimentao e criao de discordncias (ou seja, criam-se defeitos, mas no se perde a cristalinidade) encruamento (aumento da resistncia mecnica)
2. Aquecimento por tempo pr-determinado gera difuso diminuio de defeitos e migrao de contornos de grande ngulo nucleao e crescimento de gros RECRISTALIZAO
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Recristalizao
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Efeito da temperatura e tempo no TG
Colpaert
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Elemento (% em peso)C Si Mn Al P S
0,11 0,12 1,10 0,04 0,02 0,02
Material Convencional Convencional encruado
Gros refinados
Limite de escoamento (MPa)
220 --- 540
Limite de resistncia (MPa)
320 780 580
Alongamento em 50 mm (%)
48 < 1% 25
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Curvas TTT (Tempo-Temperatura-Transformao)
Experincia de Davenport e Bain
Determinar as relaes existentes entre a velocidade de esfriamento e as transformaes que ocorrem a temperaturas constantes (isotrmicas) em diferentes tempos.
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Representao esquemtica do diagrama de transformao isotrmica de um ao eutetide.
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Curvas TTT - construo
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Curva TTT exemplo eutetide
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Diagrama terico de transformao isotrmica para um ao hipoeutetide
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Diagrama terico de transformao isotrmica para um ao hipereutetide.
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Fatores que influenciam as curvas TTT
Composio qumica (principal) Em geral, com o aumento do teor de carbono, a curva se
desloca para a direita (os elementos de liga agem como o carbono, com exceo do Co).
Tamanho de gro Quanto maior o tamanho de gro, mais demorada ser a
transformao total da austenita, deslocando a curva para a direita.
Homogeneidade da austenita presena de carbonetos no dissolvidos deslocam as
curvas para a esquerda.
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Influncia dacomposio qumica
teor de carbono
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Influncia dacomposio qumica
Elementos de liga
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Tamanho de gro austentico
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Fatores de influncia no TT
Velocidade de aquecimento Temperatura de tratamento Tempo em temperatura Atmosfera do forno Velocidade de esfriamento
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Velocidade de aquecimento
A fim de evitar um gradiente de temperaturas muito grande em peas de grandes dimenses, a velocidade deve ser lente ou ento deve-se fazer patamares de aquecimento para homogeneizar as temperaturas;
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Tempo
O tempo de tratamento trmico depende muito das dimenses da pea e da microestrutura desejada.
Quanto maior o tempo: maior a segurana da completa dissoluo das
fases para posterior transformao maior ser o tamanho de groTempos longos facilitam a oxidao
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Temperatura
Depende do tipo de material e da transformao de fase ou microestrutura desejada
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Velocidade de Resfriamento
Depende do tipo de material e da transformao de fase ou microestrutura desejada
o mais importante, porque ele que efetivamente determinar a microestrutura (alm da composio qumica do material)
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Meio de Resfriamento
n preciso observar:- Obteno das caractersticas finais desejadas
(microestruturas e propriedades),- O no aparecimento de fissuras e empenamento na pea,- A no gerao de grande concentrao de tenses.- Caso algumas destas alternativas acima ocorrerem,
deve-se alterar ou o meio ou o material.
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Atmosfera Para evitar a oxidao ou perda de algum
elemento qumico (ex: descarbonetao dos aos)
oxidao2Fe + O2 = 2FeO ; Fe + CO2 = FeO + CO ; Fe + H2O = FeO + H2 ;
descarbonetao2C + O2 = 2CO ; C + CO2 = 2CO ; C + 2H2 = CH4 ;
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descarbonetao
Colpaert
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Resumo
- Obteno das caractersticas finais desejadas (microestruturas e propriedades),
- Evitar o aparecimento de fissuras e empenamento na pea,
- Sem a gerao de grande concentrao de tenses
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Influncia do teor de carbono nas propriedades mecnicas
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Recozimento Finalidade
Regular a estrutura bruta de fuso, possibilitando maior homogeneidade aos materiais fundidos.
Regular as estruturas de materiais deformados a frio, regularizando ou eliminando tenses existentes.
Regular a estrutura proveniente de tratamentos trmicos anteriores.
Remover tenses devidas a irregularidades no resfriamento de diferentes partes de peas (soldagem).
Eliminao de impurezas gasosas. Melhorar as propriedades eltricas e magnticas. Diminuir a dureza para melhorar a usinabilidade.
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Recozimento
Mtodo aquecimento do material at uma temperatura
acima da sua zona crtica, mantendo-o nessa temperatura para homogeneizao e resfriando lentamente.
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TIPOS DE RECOZIMENTO
Recozimento para alvio de tenses (qualquer liga metlica)
Recozimento para recristalizao (qualquer liga metlica)
Recozimento para homogeneizao (para peas fundidas)
Recozimento total ou pleno (aos) Recozimento isotrmico ou cclico (aos)
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Microestruturas de um ao com os carbonetos de ferro esferoidizados.
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Influncia do teor de carbono na ductilidade dos aos em funo da microestrutura.
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Recozimento Tempo de permanncia / austenitizao (encharque)
aos carbono: ~ 20 min. por centmetro de espessura; aos liga: ~ 30 min. por centmetro de espessura.
Resfriamento lento, no interior do forno, controlado ou desligado; quanto menor o teor de carbono, mais rpido pode ser
efetuado o resfriamento (retirado do forno e mergulhado em areia, cinza, cal) ou em ar parado;
velocidade de ~50C por hora.
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Recozimento Cuidados no recozimento
controle do tempo de aquecimento; controle de tempo e temperatura de tratamento; apoio das peas no forno; controle da atmosfera do forno.
Aplicaes peas fundidas; peas encruadas.
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Recozimento
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Normalizao Finalidade
uniformizar e refinar a estrutura / tamanho de gro, preparar estrutura para outros tratamentos;
obtida uma melhor homogeneizao do que o recozimento, pois a temperatura de tratamento mais alta (dissoluo de carbonetos);
a granulao mais fina conseguida no resfriamento mais rpido.
Melhorar resistncia mecnica e tenacidade; Homogeneizar microestrutura de tratamentos
incorretos, como tmpera, antes de repeti-la.
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Mtodo Aquecimento de um ao a temperaturas acima da sua
zona crtica, mantendo-o nessa temperatura para homogeneizao e resfriamento ao ar.
Normalizao
Temperatura Hipoeutetide acima da linha A3 Hipereutetide acima da linha Acm* *No h formao de um invlucro de carbonetos frgeis
devido a velocidade de resfriamento ser maiorResfriamento Ao ar (calmo ou forado)
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Aplicaes Peas fundidas; Peas forjadas; Peas de grandes dimenses.
Importante
Determinados aos no so suscetveis, formam martensita;
Cuidar dimenses da pea.
Normalizao
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Normalizao
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Tmpera
Objetivos: Aumentar a dureza; Aumentar a resistncia mecnica. Aumento da resistncia ao desgaste.
Consequncias: Diminuio da ductilidade; Aumento da fragilidade;
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Tmpera
Mtodo: Aquecimento a temperatura acima da zona
crtica; Manuteno temperatura de tratamento para
homogeneizao; Resfriamento brusco - fator mais importante,
que influenciar nas propriedades finais do material - de forma a obter-se estrutura martenstica.
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Tmpera Aquecimento
Aos hipoeutetoides: A temperatura deve, para cada caso, estar
acima da linha de transformao completa (austenitizao plena) - aos somente com %C > 0,4 (caso no tenha elementos de liga);
Aos eutetoides e hipereutetoides A temperatura deve estar acima de 727oC
(+50oC).
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Tmpera
Observaes: O tempo de homogeneizao deve ser o
suficiente para a completa austenitizao do material;
O tratamento deve ser realizado em atmosfera controlada para evitar-se a oxidao ou descarbonetao superficial, muito prejudicial ao material.
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Tmpera
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Estrutura martenstica de um ao temperado. Ataque: nital.
Aumento: 1000x.
SAE 1095 temperado em leo. rea escuras so perlita fina, reas claras so martensitas no revenidas.
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Tmpera Resfriamento
O mais rpido possvel, desde que no interfira ou prejudique o material ou a pea (velocidade crtica de resfriamento)
realizado em meios tais como: gua leo salmoura
Meio de resfriamento Intensidade relativagua a 20oC 1,0gua a 40oC 0,7gua a 80oC 0,2Soluo de NaCl @ 10% 3,0Soluo de NaOH @ 50% 2,0leo mineral 20~200oC 0,3
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Tmpera
Tenses estrutural: geradas pelo aprisionamento do carbono no retculo CCC.
Tenses trmicas: gerada pela compresso do ncleo pela superfcie que resfria primeiro. Ncleo fica sob compresso e superfcie sob tenso.
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Tmpera Temperabilidade
Capacidade do material ser endurecido a certa profundidade. Endurecibilidade
Susceptibilidade do material desenvolver estrutura martenstica.
Ensaio de Temperabilidade Jominy Consiste em temperar pela base, por meio de jato de gua, em
dispositivo apropriado, um corpo de prova padro; aps o tratamento trmico, medies de dureza so realizadas ao
longo do comprimento (verificando-se a diminuio da dureza ao longo do comprimento).
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Temperabilidade dos aos em funo dos elementos de liga
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brasimet.com.br
Tmpera Vcuo
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Revenido Objetivo:
Consiste no tratamento trmico aps a tmpera, a temperaturas inferiores s crticas, seguido de resfriamento lento, efetivando alvio de tenses.
Minimizar os efeitos das altas durezas (alta fragilidade);
Homogeneizao da estrutura martenstica.
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Revenido Temperatura de tratamento:
entre 100 oC e 650 oC
Tempo de permanncia: Parmetro importante pois dele (e da velocidade de
resfriamento) depender as propriedades finais do material.
Resfriamento: Normalmente realizado ao ar.
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Ciclo de tratamento trmico de tmpera seguido de revenido.
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Objetivos dos TT
RecozimentoRegular estrutura
bruta de fusoEliminar tenses
existentesAumentar
ductilidade
NormalizaoUniformizar
estrutura
Refinar gros
TmperaAumentar a
resistncia mecnica
Aumentar a dureza
Aumento da resistncia ao desgaste
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Tratamentos superficiais Tmpera superficial:
realizada somente na superfcie de peas acabadas (ou com pequeno sobremetal).
Objetivo: Aumento da dureza superficial, mantendo um ncleo
dctil. Formas de aquecimento:
por chama; por induo.
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Tmpera por chama
A superfcie aquecida, acima da temperatura crtica (850-950C) por meio de uma chama
oxi-acetilnica.
resfriamento feito por meio de um jato de fluido
revenido para o alvio de tenses
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Equipamentos
Pode ser feita manualmente ou com dispositivos especiais, com controle tico de temperatura
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Tmpera por chamauso da chama para tratamento de engrenagem
A profundidade de endurecimento pode ser aumentada pelo prolongamento do tempo de aquecimento. Podem ser atingidas profundidades de at 6 mm. O processo uma alternativa de tratamento para peas muito grandes, que no caibam em fornos
Font
e:w
ww.
cim
m.c
om.b
r
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bras
imet
.com
.br
Tmpera por chama
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A profundidade da camada temperada controlada pela:
Intensidade da chama aplicadadistncia da chama aplicada tempo de durao da chama aplicada
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Tmpera por induo
O calor gerado na pea por induo eletromagntica, utilizando-se bobinas de induo, nas quais flui uma corrente eltrica de alta frequncia.
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Tmpera por induoVantagens
Pode-se determinar com preciso a profundidade da camada temperada.
O aquecimento rpido As bobinas podem ser facilmente
confeccionadas e adaptadas forma da pea
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No produz o superaquecimento da pea permitindo a obteno de uma estrutura martenstica acicular fina
Geralmente, possibilita um maior aumento da dureza e da resistncia ao desgaste
A resistncia a fadiga tambm superior No tem problema de descarbonetao.
Tmpera por induoVantagens
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A profundidade da camada temperada controlada pela:
Forma da bobina Distncia entre a bobina e a pea Freqncia eltrica (500-2.000.000 ciclos/s) Tempo de aquecimento
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Bobinas para tmpera por induo
Fonte:V. Chiaverini: Aos e Ferros Fundidos
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Tmpera por induo
Exemplos de aplicao
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Tratamento sub-zero Alguns tipos de ao, especialmente os alta liga,
no conseguem completar totalmente a transformao de austenita em martensita.
O tratamento consiste no resfriamento do ao a temperaturas abaixo da ambiente
Ex: Nitrognio lquido: -170 C Nitrognio + lcool: -70 C
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AO AISI 1321 cementado as linhas Mi e Mf so abaixadas.
n Neste ao a formao da martensita no se finaliza, permanecendo austenita residual a temperatura ambiente.
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Tratamentos Isotrmicos
Austmpera consiste no aquecimento do ao at
temperatura austentica (785 e 870 C), seguido de um esfriamento rpido num meio mantido temperatura constante at completa transformao, numa faixa entre 250 e 400 C (temperatura correspondente zona de formao da bainita). Resfriamento ao ar. No necessita revenido.
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Representao esquemtica do processo de austmpera.
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Aplicaes da Austmpera
Aos ao C (0,5 1,0%) e 0,6% Mn mnimo; Aos ao C (> 0,9%) e menos de 0,6% Mn; Aos ao C (< 0,5%) e Mn entre 1,0 e 1,65%; Aos ligado com mais de 0,3%C, das sries
51xx; 13xx a 40xx; 4140; 6145 e 9440.
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Tratamentos Isotrmicos
Martmpera Consiste na austenizao do ao seguido de
esfriamento rpido em banhos com temperatura constante, na faixa de 150 C e 220 C, de modo a processar-se a transformao austenita-martensita. Resfriamento moderado. Necessita revenido.
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Martmpera
O resfriamento temporariamente interrompido, a fim de que superfcie e ncleo, tenham a mesma temperatura.
A seguir o resfriamento feito lentamente de forma que a martensita se forma uniformemente atravs da pea. A tenacidade conseguida atravs de um revenimento final.
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Representao esquemtica do processo de martmpera.
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Aplicaes da Martmpera
Aos que podem ser utilizados: ABNT 1090, 4130, 4140, 4150, 4340, 4640,
5140, 6150, 8630, 8640, 8740, 8745 e 52100. Aps cementao:
ABNT 3312, 4620, 5120, 8620 e 9310.
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Tratamento trmico
Dureza HRC
Resistncia ao choque (joule)
Alongamento em 25 mm
(%)
Resfriado em gua e revenido
52,5 19,03 0
Martemperado e revenido
52,8 32,56 0
Austemperado 52,5 54,33 8
Propriedades mecnicas do ABNT 1095
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Tratamentos Termoqumicos
Quando ocorre (ou necessitado) a alterao de composio qumica superficial (mudana parcial) e mudana parcial de propriedades nesta camada.
Principais tratamentos: Cementao; Nitretao.
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Cementao Objetivo
Tratamento termo-qumico que consiste em aumentar-se o teor de carbono na superfcie do material, mantendo-se um ncleo dctil;
Consiste no aquecimento e manuteno do material a altas temperaturas, em atmosfera rica em carbono (meio slido, lquido ou gasoso), ocorrendo a difuso do carbono da superfcie para o centro da pea.
Materiais para cementao Aos com teor de carbono at 0,2%, podendo o material possuir na
sua composio Mn, Mo, V, Si, Ni e Cr (esses ltimos com a finalidade de facilitar a tmpera).
Temperatura de tratamento Entre 850oC e 1000oC.
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Cementao Profundidade de cementao
Varia com a temperatura de tratamento e o tempo de permanncia a essa temperatura
entre 0,01 at no mximo 3,0mm Cementao parcial
Uma cobertura de cobre depositado eletroliticamente possibilita a cementao das partes no cobertas.
Pintura na regio que no receber cementao (mais usual).
Resfriamento Em geral, as peas so resfriadas ao ar.
Tratamentos posteriores Normalizao; Tmpera (de acordo com a constituio da parte perifrica).
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CementaoProfundidade da camada cementadaem funo do tempo de permanncia
780
800
820
840
860
880
900
920
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
Profundidade, [mm]
Term
pera
tura
, [C
]
2h3h4h5h
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Cementao O controle da profundidade em geral realizado com
corpos-de-prova colocados junto s peas (de mesmo material das mesmas), que so retirados de tempos em tempos para confirmao.
Processo dispendioso pois o consumo de energia e mo-de-obra alto.
Processo: slido, lquido ou gs.
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A cementao slida muito rudimentar e a camada cementada muito irregular. Portanto, no recomendada para a obteno de camadas muito finas.
A cementao slida realizada a temperaturas entre 850-950 C
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1) O Carbono combina com o oxignio do ar C + O2 CO2 (850-950 C)
2) O CO2 reage com o carvo incandescente CO2 + C 2CO
3) O CO2 reage com o carvo incandescente e assim vai cementar 3Fe + 2CO Fe3C + CO2
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A presena do ativador contribui para aumentar a velocidade de formao do CO
1) BaCO3 BaO + CO22) CO2 + C 2 CO2) 3Fe + 2CO Fe3C + CO2
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Elementos cementantes: Carvo vegetal, mais ativadores (carbonato
de brio, ou sdio, ou potssio) e leo de linhaa (5-10%) ou leo comum como aglomerante.
Tambm, pode-se adicionar 20% de coque para aumentar a velocidade de transferncia de calor.
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Cementao Lquida O meio carbonetante composto de sais fundidos:
NaCN, Ba(CN)2, KCN, ... Como ativador: BaCl2, MnO2, NaF e outros.
Tambm faz parte do banho a grafita de baixo teor de silcio para a cobertura do banho
A cementao lquida realizada a temperaturas entre 840-950 C
A profundidade da camada cementada controlada pela composio do banho
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CEMENTAO LQUIDAVantagens do processo
Melhora o controle da camada cementada A camada cementada mais homognea Facilita a operao Aumenta a velocidade do processo Possibilita operaes contnuas em produo seriada D proteo quanto oxidao e descarbonetao
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Cementao LquidaCuidados
no deixar faltar cobertura de grafite no banho a exausto dos fornos deve ser permanente, pois os
gases desprendidos so txicos, os sais so venenosos e em contato com cidos desprendem cido ciandrico
as peas devem ser introduzidas no banho secas e limpas.
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100
Cementao Gasosa
O meio carbonetante composto de uma mistura de GASES:
[CO2, H2, N2 (diluidor), (metano) CH4, (etano)C2H6, (propano)C3H8,..]
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101
Cementao GasosaVantagens do processo
a mistura carbonetante permanece estvel durante toda a cementao possibilita um melhor controle do teor de carbono e
consequentemente da camada cementada facilita a cementao de peas delicadas evita a oxidao permite a tmpera direta aps a cementao (sem contato com o ar e
sem reaquecimento) o processo limpo (no precisa de limpeza posterior) a penetrao do carbono rpida as deformaes por tenses so menores
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102
Cementao GasosaDesvantagens do processo
A temperatura e a mistura carbonetante necessitam rgido controle durante o processo
as instalaes so complexas e dispendiosasas reaes so complexas.
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103
Tintas a base de gua com cobre, servem tambm como proteo a carbonetao.
No-Carb
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104
Cementao lquida banhos de sal
com
bust
ol.c
om.b
r
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105
Cementao gasosa forno cmara
com
bust
ol.c
om.b
r
-
106
Tratamentos trmicos utilizados aps a cementao
O TT leva em conta: o ao e as especificaes da pea.No esquecer que a pea tem duas composies distintas: um
ncleo com baixo teor de carbono (0,8).
Portanto, tem 2 temperaturas crticas: A1 (camada cementada) e A3 (ncleo da pea).
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107
Tmpera
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Diagrama de Equilbrio Fe-Fe3C
A1
A3
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109
Representao dos diversos tipos de tmpera aps cementao
Temperatura de cementaoTe
mpe
ratu
ra
% de carbono do ncleo Tempo
A B C D E F
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Nitretao Objetivo
endurecimento superficial de aos por absoro de nitrognio. Mtodo
realizado em fornos com atmosfera controlada, rica em Nitrognio (em geral NH3).
banhos de sais fundidos, cianeto (cianato) de sdio e potssio. TENIFER, tempo curto at 180min.
Vantagens A temperatura de tratamento inferior da cementao; As peas apresentam-se nas dimenses e acabamento finais.
Desvantagens O tempo de permanncia, em atmosfera gasosa, grande, at
180h; A espessura da camada nitretada muito pequena.
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Nitretao Gasosa
Influncia do tempo de nitretao gasosa
para um ao ao cromo
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Limites de fadiga de virabrequins sob diferentes estados de tenses residuais.
A presena de tenses residuais de compresso na superfcie da pea aumenta consideravelmente a vida em fadiga.
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113
Nitretao Aos para nitretao
So utilizados aos com teores de carbono entre 0,13 e 0,40%, podendo ter adies de alumnio (essencial), cromo, silcio, tungstnio e vandio.
Tratamentos trmicos anteriores Tmpera e revenido.
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Nitretao parcial As partes das peas que no se queira tratar so
cobertas por estanho ou liga estanho-chumbo (80-20);
Podem ser cobertas com cobre (com espessuras entre 0,01 e 0,02mm).
Controle da camada nitretada Semelhante ao controle de camada cementada.
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Cianetao um tratamento de cementao e
nitretao simultaneamente; Executado em sal fundido, com cianeto
de sdio; Temperaturas na faixa de 650 a 850C; Cobertura de grafite (carbono);
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Tempo entre 10 a 120min, camadas entre 0,05-0,35mm;
Temperatura baixa + nitrognio; Temperatura alta + carbono; Pode haver tmpera direta, seguida de
revenido; Acabamento final s polimento.
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Carbonitretao
Tratamento simultneo de cementao e nitretao (amnia);
executado em meio gasoso; Camada pode atingir 0,70mm; Temperatura entre 700 a 900 C;
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Peas devem ser temperadas e revenidas;
Podem sofrer retfica; Apresenta melhores propriedades de
desgaste que a cementao.
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