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Luiz Lopes Lemos Jr
Materiais de Construção
PARTE 3
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Conteúdo
1. Introdução à Materiais Conceito Tipos Microestruturas Propriedades
2. Metais Obtenção dos materiais Classificação, normalização, aplicação e catálogos técnicos
3. Fabricação dos metais Tratamentos térmicos Proteção superficial
4. Outros materiais
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Tratamentos térmicos
Importância do estudo Projeto e controle dos procedimentos
utilizados nas propriedades mecânicas e nos tratamentos térmicos.
Compreensão do desenvolvimento e preservação de estruturas que se encontram em equilíbrio.
Identificação de regiões e fases presentes em microestruturas de ligas.
Determinação da fração mássica de componentes em fases específicas.
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Tratamentos térmicos
De modo simples, o tratamento térmico consiste em aquecer e resfriar uma peça de metal para que ela atinja as propriedades mecânicas desejadas.
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Tratamentos térmicos
Com o tratamento térmico conseguimos obter uma variada gama de propriedades que permitem que tenhamos materiais mais adequados para cada aplicação, sem que com isto os custos sejam muito aumentados.
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Tratamentos térmicos – Exemplo
Uma mola espiral, por exemplo, precisa ser submetida a tratamento térmico para ser usada no sistema de suspensão de um veículo.
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Tratamentos térmicos – Exemplo
Ao ser comprimida, a mola acumula energia e, ao ser solta, ela se estende de forma violenta. Portanto, a mola deve ter:Dureza.Elasticidade.Resistência para suportar esses movimentos sem
se romper.
Isso é conseguido por meio do tratamento térmico.
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Tratamentos térmicos – Exemplo
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Tratamentos térmicos
O tratamento térmico provoca mudanças mecânicas por causa de três fatores:
1. Temperatura de aquecimento;
2. Velocidade de resfriamento;
3. Composição química do material.
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Tratamentos térmicos
Procedimentos para o tratamento térmico:1. Coloca-se a peça no forno com temperatura
adequada ao tipo de material;2. Deixa-se a peça no forno durante o tempo
estabelecido;3. Desliga-se o forno e retira-se a peça, com
auxílio de uma tenaz;4. Coloca-se a peça numa bancada;5. Deixa-se a peça resfriar em temperatura
ambiente.
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Tratamentos térmicos
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Tratamentos térmicos
Velocidade de aquecimento:O tempo necessário para o
aquecimento da superfície será menor do que o tempo para o aquecimento do núcleo.
Esta diferença Dt será tão maior quanto maior for a seção do material.
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Tratamentos térmicos
Consequências da velocidade de aquecimento:
Aquecimento rápido: risco de empenamento ou fissuras.
Aquecimento lento: crescimento excessivo do grão da austenita.
Temperatura acima da temperatura crítica: completa austenização do aço.
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Tratamentos térmicos
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Tratamentos térmicos
Quanto mais longo o tempo de permanência da temperatura de aquecimento, mais completa será a dissolução do carboneto de ferro e outras fases presentes, no entanto maior será o tamanho do grão da austenita.
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Tratamentos térmicos
O resfriamento é o fator mais importante do tratamento térmico, pois é ele que irá determinar a estrutura resultante.
Resfriamento rápido: estrutura mais rígida, risco de empenamento e aparecimento.
Tempo muito longo: risco de oxidação e descarbonetação de fissuras.
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Tratamentos térmicos
Aços de baixo carbono <0,25%p C Não respondem a tratamentos térmicos para
formação de martensita. Aumento de resistência por trabalho à frio. Aço doce. Microestruturas típicas:
Perlita.Ferrita.
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Tratamentos térmicos
Aços de médio carbono >0,25% - 0,60%p C Podem ser tratados termicamente. Apresentam baixa tenacidade e ductibilidade. Aplicados em componentes estruturais de
alta resistência. Microestrutura típica: martensita revenida.
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Tratamentos térmicos
Aços de alto carbono >0,60%p - 1,40%p C Possuem elementos de liga (Cr, V, W). Alta temperabilidade. Apresentam elevada dureza. Alta resistência ao desgaste. Aço duro. Microestrutura típica: martensita revenida.
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Diagrama de equilíbrio de fases das ligas ferro-carbono
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Tratamentos térmicos
Microscópio metalográfico
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Tratamentos térmicos
Amostra de baixo carbono:
Grãos claros, com pouco carbono, em maior quantidade.
Grãos escuros com bastante carbono.
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Tratamentos térmicos
Amostra de médio carbono:
Mais grãos escuros que claros (portanto, essa amostra contém mais carbono).
Os grãos claros são menos duros e resistentes.
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Tratamentos térmicos
As fases das ligas ferro-carbono são:
Ferrita - Fe Perlita - Fe+Fe3C
Cementita - Fe3C
Austenita - Fe Martensita Bainita Fe
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Diagrama de equilíbrio de fases das ligas ferro-carbono
ferrita
Fe
austenita
perlita cementita
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Tratamentos térmicos
Ferrita (grãos claros) Estrutura cúbica de corpo centrado (CCC). Os átomos se organizam bem juntos entre si,
de modo que fica difícil a acomodação de átomos de carbono na rede cristalina.
A estrutura da ferrita consegue acomodar, no máximo, 0,025% de átomos de carbono.
Fe
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Tratamentos térmicos
Perlita (grãos escuros)É formada de lâminas alternadas. 88% de ferrita e 12% de cementita.
Fe+Fe3C
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Tratamentos térmicos
Cementita 12 átomos de ferro e 4 átomos de carbono. É um carboneto de ferro. Dureza elevada. Responsável pela dureza do aço.
Fe3C
Tratamentos térmicoszoom
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Tratamentos térmicos
Austenita Estrutura cúbica de face centrada (CFC). Se forma na estrutura do aço submetido a
temperatura elevada (na região acima da zona crítica, na zona de austenitização).
Menor resistência mecânica e boa tenacidade.
Não é magnética.
Fe
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Tratamentos térmicos –Exemplo de um aço com 0,4%p C
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Tratamentos térmicos –Exemplo de um aço com 0,4%p C
zoom
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Tratamentos térmicos –Exemplo de um aço com 0,4%p C
Aquecimento...
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Tratamentos térmicos –Exemplo de um aço com 0,4%p C
O gráfico ilustra uma região de mudança de fase num intervalo de temperatura: a ferrita e a perlita se transformam em austenita.
Essa região é chamada zona crítica: área em que as células unitárias de CCC se transformam em CFC, durante o aquecimento do aço.
ferrita
perlita em austenita
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Tratamentos térmicos –Exemplo de um aço com 0,4%p C
Resfriamento lento...
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Tratamentos térmicos –Exemplo de um aço com 0,4%p C
zoom
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Tratamentos térmicos –Exemplo de um aço com 0,4%p C
850ºC a estrutura do aço é austenita;
760ºCparte da austenita desaparece, dando lugar à
ferrita - portanto permanecem, na estrutura ferrita e austenita;
700ºC toda a austenita se transforma em ferrita e perlita
- portanto, o aço volta à sua estrutura inicial; em temperatura ambiente,
a estrutura continua ferrita e perlita.
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Tratamentos térmicos –Exemplo de um aço com 0,4%p C
Resfriamento rápido...
Se o aço for resfriado bruscamente (por exemplo, na água), ele se transformará em martensita, um constituinte duro.
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Preparação do aço para usinagem
Martensita Estrutura tetragonal de corpo centrado
(TCC). Se forma do resfriamento brusco da
austenita. Alta dureza. Resistência ao desgaste.
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Tratamentos térmicos
Tensões internas Causas:
Processo de solidificação A região da superfície do
aço se resfria com velocidade diferente da região do núcleo.
Processos de fabricação a frio
Soldagem. Usinagem.
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Preparação do aço para usinagem
Na laminação e no forjamento, os grãos são comprimidos uns contra os outros e apresentam aparência de grãos amassados.
Os grãos deformados não têm a mesma resistência e as mesmas qualidades mecânicas dos grãos normais.
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Preparação do aço para usinagem
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Preparação do aço para usinagem – Recozimento subcrítico
PROCESSOA peça é aquecida lentamente no forno
até uma temperatura abaixo da zona crítica.Por volta de 570ºC a 670ºC (no caso de
aços-carbono). De 1 a 3 horas no forno. A peça é resfriada no próprio forno.
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Preparação do aço para usinagem – Recozimento subcrítico
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Preparação do aço para usinagem – Recozimento subcrítico
Alívio de tensões recozer
Tratamento subcrítico: A ferrita e a perlita não chegam a se
transformar em austenita. Portanto, aliviam-se as tensões sem alterar a
estrutura do material.
Ver diagrama...
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Preparação do aço para usinagem - Normalização
A normalização consiste em refinar (diminuir) a granulação grosseira da peça, de modo que os grãos fiquem numa faixa de tamanho considerada normal.
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Preparação do aço para usinagem - Normalização
Uma granulação grosseira torna o material quebradiço, alterando suas propriedades mecânicas.
As fissuras (trincas) também se propagam mais facilmente no interior dos grãos grandes.
Por isso, os grãos mais finos (pequenos) possuem melhores propriedades mecânicas.
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Preparação do aço para usinagem - Normalização
PROCESSOA peça é levada ao forno com
temperatura acima da zona crítica:Entre 750ºC e 950ºC. O material se transforma em austenita.
De 1 a 3 horas no forno. A peça é retirada e colocada numa
bancada, para se resfriar.
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Preparação do aço para usinagem - Normalização
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Preparação do aço para usinagem - Normalização
Em temperaturas bem acima da zona crítica: Os grãos de austenita crescem, absorvendo os
grãos vizinhos menos estáveis. Esse crescimento é tão mais rápido quanto mais
elevada for a temperatura. No resfriamento:
Os grãos de austenita transformam-se em grãos de perlita e de ferrita.
Suas dimensões dependem, em parte, do tamanho dos grãos de austenita.
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Preparação do aço para usinagem – Recozimento
O recozimento pleno do aço...Diminui a dureza.Aumentar a ductibilidade.Melhorar a usinabilidade. Ajustar o tamanho do grão.
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Preparação do aço para usinagem – Recozimento
Quando uma peça sai do processo inicial de fabricação - fundição, prensagem, forjamento, laminação - terá de passar por outros processos mecânicos antes de ficar pronta.
O aço deve estar macio para ser trabalhado.
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Preparação do aço para usinagem – Recozimento
Um eixo, por exemplo, precisa ser usinado, desbastado num torno, perfurado.
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Preparação do aço para usinagem – Recozimento
PROCESSOAquecer o aço num forno, numa
temperatura acima da zona crítica.Após certo tempo, o forno é desligado.A peça é resfriada no interior do forno.
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Preparação do aço para usinagem – Recozimento
Aços-carbono ABNT (AISI)
Temperatura de Austenização ºC
Ciclo de resfriamento* de até
Faixa de dureza (Brinell)
1020 855º - 900º 855º 700º 111 - 149
1025 855º - 900º 855º 700º 111 - 149
1030 840º - 885º 840º 650º 126 - 197
1035 840º - 885º 840º 650º 137 - 207
1040 790º - 870º 790º 650º 137 - 207
1045 790º - 870º 790º 650º 156 - 217
1050 790º - 870º 790º 650º 156 - 217
1060 790º - 840º 790º 650º 156 - 217
1070 790º - 840º 790º 650º 167 - 229
1080 790º - 840º 790º 650º 167 - 229
1090 790º - 830º 790º 650º 167 - 229
1095 790º - 830º 790º 650º 167 - 229 *Resfriamento a 25ºC/h, no interior do forno.
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Preparação do aço para usinagem – Esferoidização
Esferoidização significa dar forma de esfera à cementita. Reduz bastante a dureza do aço. Economiza material durante a usinagem de aços
com elevado teor de carbono.Este tratamento também é chamado de
coalescimento pelo fato de que durante o processo a cementita se aglutina em partículas de forma esferoidal.
Indicado para aços de alto teor de carbono. (têm mais cementita do que os aços de médio e baixo carbono)
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Preparação do aço para usinagem – Esferoidização
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Preparação do aço para usinagem – Esferoidização
PROCESSO 1Aquecimento e resfriamento alternados
entre temperaturas que estejam logo acima e logo abaixo da linha de transformação inferior da zona crítica.
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Preparação do aço para usinagem – Esferoidização
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Preparação do aço para usinagem – Esferoidização
PROCESSO 2Aquecimento por tempo prolongado em
temperatura logo abaixo da zona crítica.
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Preparação do aço para usinagem – Esferoidização
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Endurecimento do aço – Têmpera
A têmpera é um processo de tratamento térmico do aço destinado à obtenção de dureza.
Uma têmpera feita corretamente possibilita...vida longa à ferramenta, que não se
desgasta nem se deforma rapidamente.
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Endurecimento do aço – Têmpera
PROCESSO Aquecer o aço num forno com temperatura
acima da zona crítica. Para o aço-carbono, a temperatura varia de 750º
a 900ºC. A peça permanece nessa temperatura o
tempo necessário para se transformar em austenita.
Resfriamento brusco: A peça é retirada do forno e mergulhada em água. A temperatura cai de 850ºC para 20ºC.
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Endurecimento do aço – Têmpera
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Endurecimento do aço – Têmpera
Quando a austenita é resfriada muito rapidamente, não há tempo para que se transformar em ferrita, cementita ou perlita.
A austenita se transforma num novo constituinte do aço chamado martensita.
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Endurecimento do aço – Têmpera
Cuidados no resfriamento O resfriamento brusco provoca o que se
chama de choque térmico. Pode provocar danos irreparáveis ao
material. Mas o resfriamento brusco é necessário à
formação da martensita. Dependendo da composição química do aço,
podemos resfriá-lo de forma menos severa:Óleo ou Jato de ar.
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Endurecimento do aço – Revenimento
O revenimento tem a finalidade de corrigir a dureza excessiva da têmpera, aliviar ou remover as tensões internas.
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Endurecimento do aço – Revenimento
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Endurecimento do aço – Revenimento
Logo após a têmpera, a peça é levada ao forno, em temperatura abaixo da zona crítica.Variando de 100ºC a 700ºC, dependendo da
futura utilização do aço. Quanto mais alta a temperatura de revenimento
maior será a queda da dureza de têmpera.
De 1 a 3 horas. Resfria-se a peça fora do forno.
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Endurecimento do aço – Têmpera e revenimento
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Endurecimento do aço – Tratamento isotérmico
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Endurecimento do aço – Tratamento isotérmico
Diagrama TTT Tempo, Temperatura e Transformação.
Indica as transformações da austenita em diferentes velocidades de esfriamento.
Compare com odiagrama de equilíbrio de fases
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Endurecimento do aço – Tratamento isotérmico – Austêmpera
Para aços de alto teor de carbono (alta temperabilidade).
A dureza da bainita é de, aproximadamente, 50 Rockwell C e a dureza da martensita é de 65 a 67 Rockwell C.
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Endurecimento do aço – Tratamento isotérmico – Austêmpera
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Endurecimento do aço – Tratamento isotérmico – Austêmpera
PROCESSO A peça é aquecida acima da zona crítica. A peça permanece aquecida por certo tempo
(posição 1). Até que toda a estrutura se transforme em austenita.
É resfriada bruscamente em banho de sal fundido (posição 2). Entre 260ºC e 440ºC
Permanece nessa temperatura por um tempo, até que sejam cortadas as duas curvas (posição 3). Ocorrendo transformação da austenita em bainita.
Em seguida, é resfriada ao ar livre (posição 4).
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Endurecimento do aço – Tratamento isotérmico – Austêmpera
INTERPRETAÇÃO Acima de 750ºC: campo da austenita; Curva à esquerda (i), curva de início de
transformação da austenita em perlita ou bainita;
Curva à direita (f), curva de fim de transformação;
Mi – início de transformação da austenita em martensita;
Mf – fim de transformação.
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Endurecimento do aço – Tratamento isotérmico – Austêmpera
perlita + ferrita + cementita
martensita
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Endurecimento do aço – Tratamento isotérmico – Austêmpera
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Endurecimento do aço – Tratamento isotérmico – Martêmpera
Para aços-liga.Reduz o risco de empenamento das
peças. A martensita obtida apresenta-se
uniforme e homogênea, diminuindo riscos de trincas.
Após a mantêmpera é necessário submeter a peça a revenimento.
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Endurecimento do aço – Tratamento isotérmico – Martêmpera
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Endurecimento do aço – Tratamento isotérmico – Martêmpera
PROCESSO Aquecimento acima da zona crítica (posição 1). A peça é resfriada em duas etapas. 1. A peça é mergulhada num banho de sal fundido ou
óleo quente, com temperatura um pouco acima da linha Mi (posição 2). Mantém-se a peça nessa temperatura por certo tempo,
tendo-se o cuidado de não cortar a primeira curva (posição 3).
2. A segunda etapa é a do resfriamento final, ao ar, em temperatura ambiente (posição 4).
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Endurecimento do aço – Tratamento isotérmico – Martêmpera
martensita
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Conteúdo
1. Introdução à Materiais Conceito Tipos Microestruturas Propriedades
2. Metais Obtenção dos materiais Classificação, normalização, aplicação e catálogos técnicos
3. Processos de fabricação dos metais Tratamentos térmicos Proteção superficial
4. Outros materiais
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Processos de proteção superficial
Tratamento termoquímico Cementação
Cementação sólida Cementação gasosa Cementação líquida
Nitretação Nitretação a gás Nitretação a banho de
sal Carbonitretação
Endurecimento de superfícies metálicas Têmpera superficial
Têmpera por chama Têmpera pôr indução
Proteção superficial por meio de revestimento Pintura Recobrimento metálico
Galvanização Galvanização a fogo Deposição química