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Atmosfera para Cementação usando Misturas de GN-N2 Ativadas por Injetor de Plasma Gian R.C. Silva, Zbigniew Zurecki, e Xiaolan Wang Resumo As atmosferas de nitrogênio com hidrocarbonetos podem oferecer uma excelente alternativa de custo e qualidade comparada à atmosfera convencional endotérmica e processos a vácuo. Misturas não inflamável e de baixa porcentagem de metano em nitrogênio foram ativadas durante a injeção no forno auxiliadas pelo método de descarga elétrica com plasma frio (luminescente e não térmico) e usado no processo de cementação. Uma investigação teórica e experimental foi realizada incluindo testes em forno tipo “Box” de têmpera integrada à pressão atmosférica, para avaliar a eficiência das misturas ativadas durante a cementação de peças de aço AISI 1010 e de aço AISI 8620 a 875 o C e 975 o C. Para monitorar as alterações nos teores de CH 4 , H 2 , CO, CO 2 , H 2 O e concentrações residuais de O 2 na atmosfera durante o processamento foi utilizado um analisador de gás a laser. O fluxo de massa de carbono (J, g/cm 2 /s), potencial (C p ), atividade (a c ) e as concentrações de carbono foram analisadas. O exame por EDS-SEM mostrou que, além de melhorar o perfil de microdureza e aumentar efetivamente a profundidade, o novo método eliminou defeitos de oxidação interna identificados nas peças de aço cementado endotermicamente. Introdução Atmosferas de tratamento térmico de hidrocarbonetos e livre de oxigênio tem sido objeto de pesquisa e interesse industrial por mais de um quarto de século. Os primeiros trabalhos de Kaspersma [1] e os estudos subseqüentes [2 - 3] de misturas de hidrocarbonetos e nitrogênio (N2-HC) na pressão de 1 atm demonstraram que, devido a uma estabilidade termoquímica relativamente elevada, aceitáveis velocidades de reação podem ser obtidas utilizando apenas atmosferas de N2-H2-HC mais complexas, onde os hidrocarbonetos são mais pesados que o metano e apenas em temperaturas significativamente maiores do que para os típicos tratamento de nitrocarbonetação. Observações similares foram feitas na área de cementação a vácuo onde a prática inicial de cementação por CH 4 em uma alta pressão parcial foi gradualmente substituída por uma cementação de acetileno, etileno ou misturas multicomponentes como propano-hidrogênio [4-5] com baixa pressão parcial. A mudança de misturas baratas de CH 4 justifica-se quando comparada aos recentes dados da dissociação HC [6-7] por medições termogravimétricas (TGA), ilustradas na Fig. 1. O gráfico representa o ganho em peso das amostras do aço AISI 1010 cementado e exposto a seis diferentes misturas de N 2 -HC, não inflamáveis e não explosivas numa rampa de temperatura de 10 o C/minuto. Os resultados confirmaram que o metano é praticamente não reativo com o aço até acima de 1000 o C. O acetileno começa a ser eficaz acima de 700 o C, enquanto o etileno, propileno e propano (misturado com hidrogênio ou não) tornar-se cementante na faixa de temperatura de 800 o C a 850 o C. Uma vantagem importante de ambas as atmosferas de hidrocarbonetos a pressão de 1 atm e a baixa pressão sobre as atmosferas endotérmicas convencionais é a ausência de oxidação inter granular (IGO) do Mn, Si e, no caso de ligas ou aços micro-ligados, também Cr, Al, Ti ou Zr [8-10] . Tentativas bem-sucedidas marginalmente a contrariar a IGO resultante da atmosfera endotérmica através da adição de amônia nos últimos minutos de cementação [11] apontam para atmosferas de hidrocarbonetos isentas de oxigênio durante o processamento de aços alta e baixa ligas. TTT 2012 - VI Conferência Brasileira sobre Temas de Tratamento Térmico 17 a 20 de Junho de 2012, Atibaia, SP, Brasil

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Atmosfera para Cementação usando Misturas de GN-N2 Ativadas por Injetor de

Plasma

Gian R.C. Silva, Zbigniew Zurecki, e Xiaolan Wang

Resumo

As atmosferas de nitrogênio com hidrocarbonetos podem oferecer uma excelente alternativa de custo e qualidade

comparada à atmosfera convencional endotérmica e processos a vácuo. Misturas não inflamável e de baixa

porcentagem de metano em nitrogênio foram ativadas durante a injeção no forno auxiliadas pelo método de

descarga elétrica com plasma frio (luminescente e não térmico) e usado no processo de cementação. Uma

investigação teórica e experimental foi realizada incluindo testes em forno tipo “Box” de têmpera integrada à

pressão atmosférica, para avaliar a eficiência das misturas ativadas durante a cementação de peças de aço AISI

1010 e de aço AISI 8620 a 875oC e 975

oC. Para monitorar as alterações nos teores de CH4, H2, CO, CO2, H2O e

concentrações residuais de O2 na atmosfera durante o processamento foi utilizado um analisador de gás a laser. O

fluxo de massa de carbono (J, g/cm2/s), potencial (Cp), atividade (ac) e as concentrações de carbono foram

analisadas. O exame por EDS-SEM mostrou que, além de melhorar o perfil de microdureza e aumentar

efetivamente a profundidade, o novo método eliminou defeitos de oxidação interna identificados nas peças de aço

cementado endotermicamente.

Introdução

Atmosferas de tratamento térmico de hidrocarbonetos e livre de oxigênio tem sido objeto de pesquisa e interesse

industrial por mais de um quarto de século. Os primeiros trabalhos de Kaspersma [1]

e os estudos subseqüentes [2 -

3] de misturas de hidrocarbonetos e nitrogênio (N2-HC) na pressão de 1 atm demonstraram que, devido a uma

estabilidade termoquímica relativamente elevada, aceitáveis velocidades de reação podem ser obtidas utilizando

apenas atmosferas de N2-H2-HC mais complexas, onde os hidrocarbonetos são mais pesados que o metano e

apenas em temperaturas significativamente maiores do que para os típicos tratamento de nitrocarbonetação.

Observações similares foram feitas na área de cementação a vácuo onde a prática inicial de cementação por CH4

em uma alta pressão parcial foi gradualmente substituída por uma cementação de acetileno, etileno ou misturas

multicomponentes como propano-hidrogênio [4-5]

com baixa pressão parcial. A mudança de misturas baratas de

CH4 justifica-se quando comparada aos recentes dados da dissociação HC [6-7]

por medições termogravimétricas

(TGA), ilustradas na Fig. 1. O gráfico representa o ganho em peso das amostras do aço AISI 1010 cementado e

exposto a seis diferentes misturas de N2-HC, não inflamáveis e não explosivas numa rampa de temperatura de

10oC/minuto. Os resultados confirmaram que o metano é praticamente não reativo com o aço até acima de

1000oC. O acetileno começa a ser eficaz acima de 700

oC, enquanto o etileno, propileno e propano (misturado com

hidrogênio ou não) tornar-se cementante na faixa de temperatura de 800oC a 850

oC. Uma vantagem importante

de ambas as atmosferas de hidrocarbonetos a pressão de 1 atm e a baixa pressão sobre as atmosferas

endotérmicas convencionais é a ausência de oxidação inter granular (IGO) do Mn, Si e, no caso de ligas ou aços

micro-ligados, também Cr, Al, Ti ou Zr [8-10]

. Tentativas bem-sucedidas marginalmente a contrariar a IGO resultante

da atmosfera endotérmica através da adição de amônia nos últimos minutos de cementação[11]

apontam para

atmosferas de hidrocarbonetos isentas de oxigênio durante o processamento de aços alta e baixa ligas.

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Fig. 1: Resultados das medições de TGA das amostras de aço cementado em atmosferas não-inflamáveis formadas

por nitrogênio & hidrocarbonetos termicamente ativado na pressão de 1 atm.

Neste contexto, o objetivo do presente trabalho é explorar a viabilidade de cementar aços em atmosferas simples

de N2-CH4, não-tóxica e não inflamável, com a concentração de CH4 mantida abaixo do limite de explosividade

(LEL), as quais são ativadas na entrada do forno de tratamento térmico por uma fonte de descarga elétrica de

plasma luminescente (não térmico).

Experimento

1. Sistema de Cementação por Plasma Frio

Uma série de injetores de fluxo de gás ativado por plasma frio luminescente foi desenvolvido pela Air Products nos

últimos anos [12]

. Esses injetores incluem dois eletrodos de alta tensão, posicionados entre o fluxo de gás e o forno

de tratamento. Uma fonte elétrica CC ou CA é introduzida entre estes eletrodos que ionizam o gás e dissocia

parcialmente convertendo as moléculas do gás em seu caminho para o forno. Em contraste com os fornos

convencionais de plasma a baixa pressão, a carga metálica não é um eletrodo (cátodo). É usada uma fonte de

alimentação de alta-tensão e baixo-amperagem, com baixa potência (geralmente inferiores a 2 kW) na qual forma

uma descarga elétrica combinando auto-pulso, arco em não equilíbrio e modos de plasma brilhante anômala [13]

dentro do fluxo de gás que passa pelo injetor. A baixa energia térmica de descarga assegura a vida longa do

eletrodo e impede a pirólise de gás e a deposição em fuligem. Numerosos produtos de longa e de curta duração,

em equilíbrio e não equilíbrio é formado durante a passagem de N2-CH4 pela descarga elétrica fria.

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Fig. 2: Sistema de injeção de gás ativado por plasma não térmico.

Eles incluem íons, radicais, CH4 excitado e vários subprodutos: C2H2, C3H6, C2H4, CH3, CH2, C3H8, H2, H, N, etc [14-17]

,

onde todos reagem prontamente no interior do forno reduzindo os contaminantes e acelerando as reações de

cementação na superfície da carga metálica. Os injetores de gás a plasma podem ser facilmente adaptados para

vários tipos de fornos convencionais, aquecidos por tubo radiante ou eletricamente, fornos de vácuo para realizar

a cementação, carbonitretação, têmpera com carbono neutro ou recozimento brilhante, bem como operações de

nitrocarbonetação numa faixa de temperatura relativamente baixa e pressão de 1 atm. A Fig. 2 mostra

esquematicamente um forno à pressão atmosférica para cementação equipado com o injetor de gás assistido por

plasma.

Tabela 1: Reações no forno sob pressão atmosférica.

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A reação de cementação primária envolve moléculas de hidrocarboneto ativado sob plasma, CmHn e superfície

metálica. Além disso, as reações de redução de oxigênio também podem ocorrer no caso de infiltração de ar no

forno ou por gases contaminantes (H2O ou CO2) contidos nas atmosferas endotérmicas convencionais. Estes

produtos, por sua vez, conduzem reações de cementação secundárias listadas na Tabela 1. O processo de

cementação sob plasma frio pode ser controlado usando uma versão modificada do equipamento convencional

(térmico), e modelagens para baixa pressão (vácuo) e à pressão atmosférica tem sido desenvolvido no Centro de

Tratamento Térmico de Excelência do Instituto Politécnico de Worcester [18]

, conforme representado na Fig. 3.

Fig. 3: Transporte de carbono na atmosfera de cementação.

As expressões (1-5) combinam os principais fatores de controle para a cementação de N2/CH4 sob plasma:

velocidade de alimentação total de gás através do injetor de plasma, concentração de CH4 no fluxo de

alimentação, potência de plasma aplicada, tempo e temperatura de processo, bem como características de

aquecimento e faixas de vazões para forno. Como opcional pode ser realizado análises do gás de exaustão para

monitoramento de H2, H2O, CO, CO2, e/ou CH4 residual para detectar problemas operacionais ou do forno.

(1) J =β (Cp* – Cs)

(2) Cp* = Cp {p(CmHn)}

(3) p(CmHn) = f {CCH4, Eactiv, Tf, Th}

(4) Eactiv = Pplasma/QN2-CH4

(5) Jt =Δmt

onde: J (g/cm2/seg) - fluxo de massa de carbono nos gases de hidrocarboneto ativado relacionado ao coeficiente

de transferência de massa {β = β(F)} que é função das propriedades do gás e do fluxo de gás; Cp* - potencial de

carbono aparente da atmosfera de hidrocarbonetos ativado em função da pressão parcial de hidrocarbonetos

ativado (% peso e g/cm3); Cs = Cs (Tf, t) - teor de carbono na superfície do aço como função (Tf ) da temperatura do

forno e do tempo (t); p(CmHn) - pressão parcial dos gases de hidrocarboneto ativado; CCH4 - concentração de CH4

no fluxo de alimentação; Eactiv - energia de plasma absorvida pelo N2-CH4 no fluxo de alimentação; Tf - temperatura

do forno; Th – temperatura do sistema de aquecimento; Pplasma/QN2-CH4 (J/g) – potência de descarga de plasma pelo

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fluxo de massa do N2-CH4 no fluxo de alimentação; e Jt (g/cm2/seg) – fluxo de carbono medido associado ao peso

ganho Δm pelo tempo médio; A/t - intervalo de exposição da amostra “shim stock” tendo a área superficial A dado

em (g/cm2/seg).

2. Procedimentos

Os experimentos foram realizados com atmosfera cementante em escala de semi produção, num forno caixa

aquecido eletricamente do tipo ATS 3350, conforme Fig. 2. A concentração de CH4 no fluxo de N2 foi sempre

mantida abaixo do LEL (< 5% vol.), e nenhum ar foi adicionado intencionalmente no forno. Na primeira etapa do

programa, amostras de chapinha do tipo “shim stock” foram expostos na atmosfera cementante para avaliar o

fluxo de carbono, o potencial de carbono aparente e a atividade de carbono na fase gasosa. Na segunda etapa dos

testes, peças reais foram cementadas e temperadas no óleo, na seqüência foram revenidas para comparar o efeito

da cementação ativada sob plasma com a cementação endotérmica convencional.

Três diferentes espessura do aço AISI 1010 (shim stock) com 4 x 4 polegadas (103,2 cm2): 0,004 polegadas

(0,1016mm), 0,015 polegadas (0,381mm) e 0,031 polegadas (0,7874mm) foram utilizadas, e realizados ensaios de

cementação de acordo com as condições estabelecidas na tabela 2. O Teste 1 foi realizado em atmosfera gasosa

não-ativada; e os outros ensaios usando atmosfera ativada com plasma-CA. Cada ciclo de cementação envolveu 45

minutos para o aquecimento com N2 puro, 3 horas de cementação e 3 horas de resfriamento no forno com N2

puro. As amostras foram pesadas antes e após o ciclo de cementação. O peso ganho (Δm) foi usado para

determinar o potencial de carbono (Cp*) aparente na atmosfera de acordo com as equações 5 e 6, onde o carbono

inicial (Co) era < 0.1% em peso.

(6) Cp* = 100 Jt A t / mf + Co = 100Δm / mf + Co

Tabela 2: Condições de cementação das amostras de chapas “shim stock”

Teste No. T1 T2 T3 T4

Temperatura (oC) 875 875 975 975

Tempo (h) 3 3 3 3

Plasma Ativado Não Sim Sim Sim

Vazão de Gás, medido em Nm³/h a 0oC

Vazão de Gás Total 6,7 6,7 6,7 13,4

N2 – através do plasma 0 6,4 6,4 12,8

CH4 – através do plasma 0 0,29 0,29 0,58

% Vol. de CH4 no forno 4,5 4,5 4,5 4,5

As peças produzidas foram de aço AISI 8620 fundido e usinado em dois formatos: anéis (R) de 44 mm, e eixos (S)

de 14 mm de diâmetro. A Tabela 3 apresenta a composição nominal do aço utilizado.

Três pares de peças R e S foram testados: as 1ª foram cementada em atmosfera endotérmica usando um forno de

têmpera integrada para fins comerciais e controlado por sonda de ZrO2, as 2ª foram cementada usando plasma

ativado CC, e a 3ª foram cementadas usando plasma ativado-CA, ambas no forno “Box” ATS. O tratamento em

atmosfera endotérmica foi executado como segue: as peças foram carregadas no forno a 900oC com o potencial de

carbono (Cp) mantido em 0,95%C e tratado por 2,5 horas, promoveu-se a difusão com Cp de 0,8-0,9%C por 0,5

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horas na temperatura de 843oC, onde foi temperado no óleo e finalmente revenido a 180

oC por 2 horas. Os

tratamentos de cementação ativado por plasma CC e CA foram executados da seguinte maneira: as peças foram

carregadas no forno preenchido apenas por N2 (99,995%) na temperatura de 900oC e o fluxo de CH4 e a potência

de plasma foram iniciadas após o carregamento. A vazão total de gases foi de 8,04 m³/h com uma concentração de

4,6%vol. de CH4 por 2,5 horas a 900oC, a difusão ocorreu por 0,5 horas a 843

oC e temperado em óleo. Por último, a

etapa de revenimento a 180oC sem ativação numa atmosfera de N2 com 2,2%vol. de CH4.

Tabela 3: Composição química do aço AISI 8620 ( % em peso)

C Mn P S Si Ni Cr Mo

0,18-0,23 0,7-0,9 <0,03 <0,04 0,15-0,35 0,4-0,7 0,4-0,6 0,15-0,25

Um analisador de gás por laser (LGA), fabricado por ARI, modelo LGA-4ENAPBT, foi usado para medir as

concentrações de gases durante o programa de teste. As concentrações de H2, CH4, CO, CO2, O2, N2 e H2O foram

controladas com precisão de < 50 ppm. Foi medida a dureza superficial HR15N nos diâmetros externos e realizados

perfis de microdureza Vickers com carga de 300 g por 10 segundos nas peças R e S totalmente cementadas,

temperadas e revenidas. Ensaios metalográficos das secções transversais das peças foram realizados com prévio

ataque por Nital a 2% para exame de EDS-SEM.

Resultado e discussão

O potencial de carbono aparente na atmosfera de N2-CH4 proveniente da eq. 6 no tempo de 3 horas de

cementação foi maior que o potencial de carbono da atmosfera endotérmica convencional, conforme a Tabela 4.

Isto não surpreende quando verificamos referências na literatura sobre O2-livre, atmosferas HC [1-2 e 19]

onde os

produtos do equilíbrio da cementação com HC são cementita (6,67 %C) ou fuligem. Curiosamente, o potencial de

carbono aparente diferiu bastante para amostras “shim stock” mais fina (0,102 mm) do que as amostras mais

espessas (0,381 mm), devido à rápida saturação de carbono nas amostras de menor espessura.

Tabela 4: Potencial de carbono e a atividade de carbono na fase gasosa

Teste No. T1 T2 T3 T4

Potencial de Carbono Aparente (Cp), calculado por meio do ganho de massa medido (%C)

0,004” (0,102 mm) 2,04 +/- 0,05 2,74 +/- 0,08 3,40 +/- 0,07 2,44 +/- 0,11

0,015” (0,381 mm) 0,89 +/- 0,04 1,63 +/- 0,05 1,79 +/- 0,02 1,75 +/- 0,03

Atividade de Carbono na fase gasosa (ac), calculado pela concentração de H2 e CH4 no forno

ac 1,9E+05 4,6E+04 1,8E+04 7,2E+04

Além disso, foi realizado um trabalho de modelagem de difusão usando o software CarbTool conforme referência [18]

, que confirmou o efeito da saturação ao invés de gradiente de carbono em amostras mais finas (0,102mm). A

atividade do carbono na fase gasosa foi calculada conforme o procedimento descrito na referência [19]

, usando o

analisador a laser (LGA) de medição da concentração de H2 e CH4 no forno para a reação de cementação (CH4 = C +

2H2), na qual ignora os efeitos da ativação por plasma. Um software de Equilíbrio e Reações Químicas (Outokumpu

HSC Chemistry® para Windows com banco de dados JANAF, versão 5.1 02103-ORC-T) foi usado para calcular a

atividade.

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Fig. 4: Efeito da espessura das lâminas “shim stock” na medição do fluxo de carbono para 3 horas de cementação

com 4,5%CH4 em nitrogênio.

A figura 4 e 5 mostra o efeito da espessura da lâmina “shim stock”, da temperatura do processo, e da vazão da

mistura gasosa de 4,5%CH4-N2 (com potência de plasma fixada) sobre o fluxo de carbono (Jt) para 3 horas de

exposição. Assim, as condições T3 e T4 de plasma ativado produziram valores de fluxo de carbono tão elevado

quanto à atmosfera de cementação endotérmica [20]

ou forno de cementação à vácuo com propano [21]

.

Fig. 5: Cementação térmica e a plasma no aço AISI 1010 com 0,381mm usando uma mistura de 4,5%CH4-N2

Por outro lado, a condição T1 (não ativada e puramente térmica) resultou em um inaceitável fluxo de carbono

baixo, apesar dos valores de ac e Cp* serem altos. Nas corridas T2-T4 ativada com plasma resultou em escalas de

fluxo de carbono muito maiores devido à energia de plasma absorvida pelo gás antes da entrada (Eativada, eq.4), e

temperatura do forno, do que com o grau de dissociação do CH4 indicado pelo nível de H2 na atmosfera mostrado

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na Fig. 5. Conclui-se que a formação de grupos de CmHn ativados desempenham um papel crítico na cementação a

plasma não térmico (frio).

Fig. 6: Gráfico do analisador LGA para a composição do gás durante a cementação das peças R e S via plasma CA

seguida de revenimento.

A Fig.6 ilustra um típico ciclo de cementação com têmpera em óleo e revenimento durante a produção de peças R

e S processadas com o sistema de plasma frio CC e CA. Para as etapas de ativação e difusão as análises do fluxo

foram a seguinte: CH4 ≤ 4,5%vol., H2 < 1,0%, CO2 < 0,1%, CO < 0,05%, H2O < 50ppm (ponto de orvalho abaixo de -

48oC) e O2 abaixo do limite de detecção do analisador LGA ≤ 50ppm.

Fig. 7: Dureza HR15N das peças R (anel) e S (eixo) cementadas sob atmosferas, endotérmica e a plasma (CC e CA),

têmperas em óleo e revenidas.

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O oxigênio absorvido nos refratários do forno, filmes de óxidos, ou possível vazamento de ar foram às fontes mais

prováveis de detecção de oxigênio no efluente. O nível de traços de gases requeridos para as reações secundárias,

como as reações de cementação endotérmicas, não justificaram os cálculos de ac e Cp conforme proposto pela

primeira vez por Collin et al.[22]

e indicou que somente as reações primárias de CmHn = m C + n/2 H2 foram

funcionais. Na etapa de revenimento onde a injeção do nível de CH4 foi reduzida, as concentrações de

componentes combustíveis foram correspondentemente menores. Note que, a conversão do CH4 injetado na

produção de H2 é resultado da temperatura do forno durante todo o ciclo de tratamento.

A medição de dureza superficial é um método conveniente de verificação pontual da qualidade da peça em um

processo de tratamento térmico de cementação estabilizado. A dureza superficial HR15N dos anéis (R) e dos eixos

(S) cementados em atmosfera endotérmica e atmosferas a plasma frio (CC e CA), temperados em óleo e revenidos

foram medidas e mostrou serem idênticas dentro de uma faixa de erro de medição estreita, segundo Fig. 7. Uma

imagem mais completa do processo de tratamento térmico de cementação é obtido pelo perfil de microdureza,

como mostrado na Fig. 8 e 9.

Fig. 8: Perfil de microdureza Vickers dos anéis (R) cementados em atmosferas, endotérmica e a plasma (CC e CA),

temperados em óleo seguido de revenimento.

Embora a dureza superficial de todas as amostras foi quase idêntica, o perfil de dureza da secção transversal exibiu

diferenças. As amostras de plasma CA e CC exibiram um nível mais elevado de dureza (maior teor de carbono e/ou

menor austenita retida) mantendo um maior aprofundamento na peça com uma queda mais acentuada na área

central do que as amostras tratadas endotermicamente. Este tipo de perfil de dureza é valioso, especialmente, no

caso de peças que requerem um acabamento adicional de usinagem na superfície para restaurar a precisão

dimensional. Avaliadas conforme a literatura [23]

, a profundidade efetiva para 50 HRC (ou 540 HV) das peças

cementadas sob atmosfera ativada por plasma foi de 0,7 mm (700 μm), ou seja, um pouco maior que as peças

cementadas em atmosfera endotérmica. As análises dos gases da atmosfera do forno, bem como os dados do aço

cementado mostraram que as descargas elétricas CC e CA são comparáveis do ponto de vista de eficácia.

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Fig. 9: Perfil de microdureza Vickers dos eixos (S) cementados em atmosferas, endotérmica e a plasma (CC e CA),

temperados em óleo seguido de revenimento.

Na Fig. 10 vemos imagens de elétrons secundários (IES) das secções transversais dos eixos (S) cementados em

atmosferas endotérmica e a plasma, e os mapas de Mn, Cr e Si correspondentes foram adquiridos utilizando

microscopia eletrônica de energia dispersiva (SEM) e sonda por espectroscopia de raios-X (EDS). A peça cementada

endotermicamente revelou claramente uma zona de oxidação intergranular em seu interior, o que concorda com

os cálculos de difusão e dados experimentais apresentados na literatura [8]

. O enriquecimento de contornos

oxidados com Mn, Si e Cr foram observados e explicados pela maior afinidade desses elementos de liga do ferro

por oxigênio e gases oxidantes (CO2 & H2O) sempre presentes nas atmosferas de cementação endotérmica [11]

. Por

outro lado, nenhum efeito de oxidação inter granular (IGO) foi observado nas amostras cementadas a plasma CC e

CA, que exibiram uma elevada qualidade de cementação a vácuo na superfície e sub-superfície dos materiais.

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Fig. 10: Imagens das secções transversais (SEM-SEI-EDS) das regiões sub-superficiais das peças após o ciclo

completo de cementação, têmpera e revenimento. Ataque nital 2%. Onde: a) Micrografia eletrônica (SEI) da peça

cementada com atmosfera endotérmica; b-c) Mn e Cr mapeados por EDS sobre a área da micrografia (a); d)

Detalhes da micrografia (a), e) Mapa de Si da área (d) por micro sonda (EDS); e f) Micrografia eletrônica (SEI) da

peça cementada a plasma-CA.

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Conclusões

1. O sistema de plasma frio (não térmico) foi explorado com sucesso durante a cementação de aços na

pressão de 1 atm, utilizando uma atmosferas de N2-CH4 pobre em CH4, não inflamável e não-explosiva.

Fácil de instalar em fornos convencionais, o sistema de plasma frio minimiza a poluição ambiental e

oferece quase 100% de retorno instantâneo. As descargas elétricas CC e CA têm eficácia semelhante do

ponto de vista da ativação dos gases injetados e da superfície cementada.

2. As reações de cementação e a cinética do processo foram avaliadas. A reação superficial com

hidrocarbonetos excitados produzidos durante a passagem de CH4 por meio da descarga de plasma

parece dominar o processo. As medições do fluxo de massa de carbono e os cálculos do potencial de

carbono e da atividade na fase gasosa têm mostrado que as taxas de cementação atuais são comparáveis

aos sistemas de cementação com atmosfera endotérmica e de baixa pressão (vácuo), mas não é possível

estabelecer o equilíbrio termodinâmico. No entanto, o controle do processo é simples e baseado no fluxo

de massa, e é aplicável aos modelos populares de cementação a baixa pressão.

3. Os efeitos da cementação sob plasma-ativado com atmosfera de N2-4,5%CH4 e com atmosfera

endotérmica em anéis e eixos de aço AISI 8620 foram comparados utilizando o mesmo programa de

tratamento térmico. As peças processadas com atmosfera de plasma estavam completamente livres de

oxidação inter granular (IGO), e revelaram uma profundidade de cementação eficaz e um pouco mais

profunda. O perfil de microdureza sob a superfície metálica teve um patamar relativamente plano até 450

μm, lembrando que os perfis obtidos pela cementação a baixa pressão é benéfico do ponto de vista da

etapa de pós-usinagem e de resistência à fadiga. Em contraste, a atmosfera de cementação endotérmica

resultou em defeitos de oxidação inter granular (IGO), com o enriquecimento de Mn, Cr e Si nos

contornos de grão, e um declive íngreme no perfil de dureza.

4. A continuação dos trabalhos inclui: controle de processo usando modelagem de difusão do perfil de

carbono e dinâmica dos fluidos, teste de produção em larga escala, fornos contínuos e tipo poço.

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Atmosphere Carburizing Using Electric Discharge-Activated Nitrogen-Natural Gas Mixtures

Gian R.C. Silva, Zbigniew Zurecki and Xiaolan Wang

Abstract

Nitrogen-hydrocarbon gas atmospheres can offer a cost and part quality alternative to the conventional endothermic atmosphere and vacuum processes. Non-flammable, low percentage methane and nitrogen mixtures were activated during furnace injection by a novel, non-thermal electric discharge (cold plasma) method and used in carburizing process. Theoretical and experimental investigation has been carried out including box furnace tests at atmospheric pressure to examine the efficiency of activated mixtures in carburizing AISI 1010 shim stock and AISI 8620 steel parts between 875oC and 975oC. Laser gas analyzer was used to monitor changes in furnace CH4, H2, CO, CO2, H2O and residual O2 concentrations during the process. Carbon mass flux (J, g/cm2/sec), potential (Cp), activity (ac) and carbon concentrations were evaluated. SEM-EDS examination has shown that, in addition to improving microhardness profile and increasing effective case depth, the new method eliminated internal oxidation defects identified in the comparable endo-carburized steel parts.

Key-words: electric discharge, atmosphere, activated, hardness, endothermic, carbon, nitrogen

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