tcc cementaÇÃo lÍquida e gasosa no aÇo 18crmo

FATEC - FACULDADE DE TECNOLOGIA DE

SERTÃOZINHO

CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM MECÂNICA:

PROCESSOS DE SOLDAGEM

ESTUDO DO COMPORTAMENTO DOS PROCESSOS

DE CEMENTAÇÃO LÍQUIDA E GASOSA NO AÇO

18CrNiMo7-6

Alunos: Abinadab dos Santos Araújo

Camila Rafaela Rosa

Orientador: Prof. Me. Jeferson de Oliveira

SERTÃOZINHO

2013

FATEC - FACULDADE DE TECNOLOGIA DE

SERTÃOZINHO

CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM MECÂNICA:

PROCESSOS DE SOLDAGEM

ESTUDO DO COMPORTAMENTO DOS PROCESSOS

DE CEMENTAÇÃO LÍQUIDA E GASOSA NO AÇO

18CrNiMo7-6

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade de Tecnologia de Sertãozinho como requisito parcial à obtenção do título de Tecnólogos em Mecânica: Processos de Soldagem

Alunos: Abinadab dos Santos Araújo

Camila Rafaela Rosa

Orientador: Prof. Me. Jeferson de Oliveira

SERTÃOZINHO

2013

FOLHA DE APROVAÇÃO

ARAÚJO, Abinadab dos Santos; ROSA, Camila Rafaela. ESTUDO DO

COMPORTAMENTO DOS PROCESSOS DE CEMENTAÇÃO LÍQUIDA E GASOSA

NO AÇO 18CrNiMo7-6

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade de

Tecnologia de Sertãozinho como requisito parcial à obtenção do

tÍtulo de Tecnólogos em Mecânica: Processos de Soldagem.

Data de Aprovação: ___/___/___

Banca Examinadora

Nome

Instituição

Assinatura

Nome

Instituição

Assinatura

Nome

Instituição

Assinatura

DEDICATÓRIA

Dedicamos

à nossa família que, apesar de não nos influenciar

diretamente neste trabalho, ensinaram-nos o

caminho da perseverança e responsabilidade diante

dos obstáculos.

Ao professor Alessandro Farah que, por motivo de

doença, afastou-se de suas atividades, muito

embora tenha nos acompanhado no início deste

trabalho, saudades e que Deus o abençoe assim

como nos abençoou durante suas aulas.

AGRADECIMENTOS

Agradecemos primeiramente a Deus pelas pessoas que passaram por

nossos caminhos e pelos momentos que compartilhamos estudando e nos

divertindo durante uma das mais importantes trajetórias de nossas vidas.

A nossos pais que, com muita sabedoria, deram-nos subsídio para uma vida

saudável, de responsabilidades e ensinos éticos, e que nos incentivaram a estudar

pra que um dia tivéssemos sucesso.

Aos nossos professores que, de maneira objetiva, ensinaram-nos, passo a

passo, os deveres de nosso oficio e que sem sacrifícios não há vitórias.

Aos amigos e colegas de sala, que compartilharam dessa experiência

conosco enfrentando os dias cansativos de tanto estudar para as provas, pelos

momentos de descontração e principalmente pela amizade e carinho que com todos

dividimos.

Ao nosso orientador Jeferson que, no meio do caminho, abraçou nossa

causa e dividiu seu conhecimento para que pudéssemos concretizar nosso trabalho.

Aos colegas Éder Sola Losa e José Rodrigo Rizatti da empresa TGM

Transmissões, ao Marcelo da empresa ELLO Correntes que nos ajudaram e

forneceram o material e os tratamentos termoquímicos referentes ao estudo deste

trabalho.

E a nós, Abinadab e Camila, o famoso casal 20, como diz o professor Omar

Maluf, pois juntos aprendemos, compartilhamos, batalhamos, unimos nossas forças

quando já cansados e desanimados nos erguemos um apoiando o outro para que

continuássemos lutando para conquistar o tão desejado diploma de ensino superior,

e hoje é com muita alegria e emoção, que olhamos para trás e podemos ver o quão

especial foram todos os momentos dentro da Faculdade de Tecnologia de

Sertãozinho, a FATEC.

EPÍGRAFE

“Ninguém ignora tudo. Ninguém sabe tudo. Todos nós sabemos alguma coisa. Todos nós ignoramos alguma coisa. Por isso aprendemos sempre.” É como a Dedicatória

Paulo Freire

http://pensador.uol.com.br/autor/paulo_freire/

ARAÚJO, Abinadab S.; ROSA, Camila R. Estudo do Comportamento dos Processos de Cementação Líquida e Gasosa no aço 18CrNiMo7-6. Trabalho de Conclusão de Curso. Centro Estadual de Educação Tecnológica “Paula Souza”. Faculdade de Tecnologia de Sertãozinho. 2013. 70 Páginas.

RESUMO

O presente trabalho teve como objetivo apresentar as diferentes espessuras de

camadas cementadas obtidas pelos processos de cementação líquida e gasosa,

aplicados no material 18CrNiMo7-6 empregado para componentes de transmissão

mecânica como engrenagens, por exemplo, assim como verificar a eficiência

metalográfica e microdurezas entre os processos analisando seus comportamentos

e resultados, observando que em ambos os casos utilizou-se os mesmos

parâmetros de patamares de temperaturas de cementação, porém com meios

diferentes de resfriamentos após tratamento térmico e tempo de exposição; a

metodologia utilizada compreende os seguintes métodos de pesquisa: na primeira

fase, utilizou-se a revisão bibliográfica com o propósito de analisar na literatura o

comportamento teórico da aplicação da cementação nos aços e as espessuras das

camadas que se obtém; na segunda fase, separou-se o material de estudo em

diferentes dimensões para corpos de prova, cada qual para um processo de

cementação, os fornos para os quais foram tratados termoquimicamente e os

equipamentos para análise do material; os resultados obtidos indicaram que, tanto a

cementação líquida, como a gasosa, mostram-se eficientes quanto aos valores

obtidos das espessuras da camada cementa e as durezas das amostras; pode-se

concluir portanto, que os processos de cementação líquida e gasosa, as espessuras

da camada cementada e as durezas aumentam de acordo com o aumento do tempo

de permanência em sua constante temperatura, confirmando a literatura utilizado

para o estudo deste trabalho.

Palavras-Chave: Tratamento Termoquímico. 18CrNiMo. Cementação Líquida e

Gasosa.

ARAÚJO, Abinadab S.; ROSA, Camila R. Estudo do Comportamento dos Processos de Cementação Líquida e Gasosa no aço 18CrNiMo7-6. Trabalho de Conclusão de Curso. Centro Estadual de Educação Tecnológica “Paula Souza”. Faculdade de Tecnologia de Sertãozinho. 2013. 70 Páginas.

ABSTRACT

This paper aimed to present the different thicknesses of hardened layers obtained

through the gas and liquid hardening process applied to material 18CrNiMo7-6 used

to mechanical transmission parts as gears, for example, as well as to verify

metallographic effectiveness and microhardness among the processes checking their

behavior and results, noticing in both cases the same parameters of hardening

temperatures, however with different cooling medium after heat treatment and

exposure time. The methodology used comprises: in the first phase a literature

review was used aiming at analyzing the theoretical behavior of the hardening

implementation in the steel and the layers thicknesses obtained; in the second phase

the study material was separated into different dimensions to specimens, each one to

a hardening process, the furnaces for which were thermochemically treated and the

equipments for the analysis of the material. The results showed that either the liquid

or the gas hardening process have been effective regarding the thicknesses values

of the hardened layer and the specimen stiffness, thus it may be concluded that the

gas and liquid hardening processes, the thicknesses of the hardened layer and the

stiffness increase according to the expansion of the dwell time in its stable

temperature, confirming the literature used in this paper.

Keywords: Thermochemical treatment. 18CrNiMo. Gas and liquid hardening.

Keywords: Thermo-chemical. 18CrNiMo. Cementação Líquida e Gasosa.

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 15

OBJETIVO ................................................................................................................ 15

METODOLOGIA ....................................................................................................... 16

PROCEDIMENTOS ................................................................................................... 16

1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................. 18

1.1 Produção do aço ............................................................................................... 18

1.2 Classificações dos aços ................................................................................... 20

1.3 Aços para cementação ..................................................................................... 22

1.4 Cementação ....................................................................................................... 26

1.5 Cementação líquida .......................................................................................... 29

1.5.1 Considerações a respeito da cementação líquida ...................................... 31

1.5.2 Principais vantagens da cementação líquida .............................................. 33

1.5.3 Principais desvantagens da cementação líquida ........................................ 33

1.6 Cementação gasosa .......................................................................................... 34

1.6.1 Considerações a respeito da cementação gasosa ...................................... 34

1.6.2 Principais vantagens da cementação gasosa ............................................. 35

1.6.3 Principais desvantagens da dcmentação gasosa ....................................... 35

1.7 Considerações a respeito do aço DIN EN 10084 - 18CrNiMo7-6 ................... 36

1.7.1 Composição química ..................................................................................... 36

1.7.2 Aplicações ...................................................................................................... 36

1.7.3 Características ................................................................................................ 36

1.7.4 Propriedades físicas e mecânicas ................................................................ 37

1.7.5 Condições de fornecimento .......................................................................... 37

1.8 Tratamentos térmicos ....................................................................................... 38

1.9 Ensaios mecânicos ........................................................................................... 41

1.9.1 Ensaio de dureza ............................................................................................ 41

1.9.2 Metalografia .................................................................................................... 44

2 MATERIAIS E MÉTODOS ..................................................................................... 45

2.1 Materiais utilizados ........................................................................................... 45

2.1.1 Cementação líquida........................................................................................ 45

2.1.2 Cementação gasosa ....................................................................................... 45

2.2 Metodologias aplicadas .................................................................................... 54

2.2.1 Aço-liga DIN EN 10084 – 18CrNiMo7-6 ......................................................... 54

2.2.2 Cementação, têmpera e revenimento ........................................................... 55

2.2.3 Preparação das amostras após tratamentos para posterior análise ......... 58

2.2.4 Análise metalográfica .................................................................................... 60

2.2.5 Medição da espessura da camada cementada ............................................ 60

2.2.6 Microdureza vickers ....................................................................................... 60

3 RESULTADOS ....................................................................................................... 61

3.1 Resultados da metalografia por região de cada amostra .............................. 61

3.2 Resultados da espessura da camada cementada .......................................... 64

3.3 Resultados da microdureza .............................................................................. 65

CONCLUSÃO ........................................................................................................... 66

REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 69

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1 Seção transversal de uma instalação de alto-forno.................................. 18

Figura 1.2 Seção transversal esquemática de um conversor Bessemer. .................. 19

Figura 1.3 Difusão termoquímica. ............................................................................. 27

Figura 1.4 Curvas mostrando a influência da temperatura e tempo na penetração

superficial do carbono. .............................................................................................. 28

Figura 1.5 Composição de banhos de sal para cementação líquida. ........................ 30

Figura 1.6 Metalografia típica do aço 18CrNiMo7-6 antes do processo de

cementação. Microestrutura ferrita + perlita com presença discreta de bainita

revenida..................................................................................................................... 37

Figura 1.7 Faixas de temperaturas de aquecimento no diagrama Fe-Fe3C para

diversos tipos de tratamentos térmicos em aços. ...................................................... 38

Figura 1.8 Tipos de resfriamento no processo de tratamento térmico. ..................... 39

Figura 1.9 Esquema do penetrador e impressão da dureza Vickers. ........................ 42

Figura 1.10 Tabela de conversão de durezas. .......................................................... 43

Figura 1.11 Microestruturas de materiais para exemplo de metalografia. ................. 44

Figura 2.1 Amostras identificadas de cementação líquida. ....................................... 45

Figura 2.2 Forno elétrico tipo poço utilizado para cementação. ................................ 46

Figura 2.3 Forno elétrico tipo poço utilizado para o tratamento de têmpera. ............ 46

Figura 2.4 Forno elétrico tipo poço utilizado para o tratamento de revenimento. ...... 47

Figura 2.5 Amostras de cementação gasosa identificadas com tipador industrial. ... 47

Figura 2.6 Amostras perfuradas para suporte de cementação gasosa. .................... 48

Figura 2.7 Forno eletrônico tipo poço modelo X57. ................................................... 48

Figura 2.8 Painel digital controlador de temperatura de cementação e têmpera ...... 49

Figura 2.9 Painel digital controlador de atmosfera. ................................................... 49

Figura 2.10 Painel registrador de temperatura para gráfico de tratamento

termoquímico e térmico. ............................................................................................ 50

Figura 2.11 Cortadeira metalográfica. ....................................................................... 50

Figura 2.12 Embutidora de amostras. ....................................................................... 51

Figura 2.13 Lixadeira e politriz metalográfica. ........................................................... 51

Figura 2.14 Microscópio óptico. ................................................................................. 52

Figura 2.15 Microdurômetro utilizado para medição das amostras de cementação

gasosa. ...................................................................................................................... 52

Figura 2.16 Durômetro analógico utilizado no processo de cementação líquida....... 53

Figura 2.17 Medidor de espessura da camada cementada (líquida). ........................ 53

Figura 2.18 Corpos de prova preparados para processo de cementação líquida. .... 55

Figura 2.19 Corpos de prova preparados para processo de cementação gasosa. ... 55

Figura 2.20 Detalhe de como os CP’s são postos no forno para cementar e

temperar. ................................................................................................................... 56

Figura 2.21 Amostras de cementação líquida após ataque com reagente nital 2%. . 59

Figura 2.22 Amostras de cementação gasosa após ataque com reagente nital 2%. 59

Figura 2.23 Disposição das marcações de dureza Vickers (HV) ............................... 60

Figura 3.1 Metalografia da amostra 01 – cementação líquida. .................................. 61



Figura 3.4 Metalografia da amostra 04 – cementação líquida ................................... 62

Figura 3.5 Metalografia da amostra 01 – cementação gasosa. ................................. 62




Figura 3.9 Espessuras da Camada Cementada versus Tempo de Permanência a

930ºC. ....................................................................................................................... 63

Figura 3.10 Resultados de Microdurezas por Região das Amostras e Processos de

Cementação. ............................................................................................................. 63

ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 1.1 Composição química do aço 18CrNiMo7-6. ............................................ 36

Tabela 1.2 Propriedades físicas e mecânicas do aço 18CrNiMo7-6. ........................ 37

Tabela 2.1 Composição química do aço 18CrNiMo7-6. ............................................ 54

Tabela 2.2 Programação do processo de cementação líquida do aço 18CrNiMo7-6.

.................................................................................................................................. 57

Tabela 2.3 Programação do processo de cementação gasosa do aço 18CrNiMo7-6.

.................................................................................................................................. 58

Tabela 3.1 Resultados das espessuras da camada cementada. .............................. 64

Tabela 3.2 Resultados de microdurezas em varredura. ............................................ 66

15

INTRODUÇÃO

Atualmente, as organizações estão em busca da melhoria contínua da

qualidade de seus produtos e serviços. Para isso, a busca pela excelência e

qualidade tem levado ao aperfeiçoamento de suas técnicas de processos de

produção, empreendimento em inovações tecnológicas, redução de custos e

investimento no capital humano, através de treinamentos e qualificação dos seus

colaboradores. Além da perpetuidade e preservação do meio ambiente, tornou-se

fundamental também, o desenvolvimento de métodos, controles e escolha de novos

produtos que possam substituir os agentes agressivos.

Este trabalho descreve um processo no qual se utilizam agentes tóxicos e

prejudiciais à saúde de quem se expõe a ele, portanto é de extrema importância

que as empresas estejam conscientes de que é essencial a promoção de um

programa de desenvolvimento sustentável, minimizando desperdícios, investindo na

prevenção da poluição através da conscientização e envolvimento de todos os

colaboradores para que os resultados sejam alcançados sem danos físicos,

químicos e/ou biológicos.

Através destas práticas, uma organização pode finalmente atender às

necessidades dos clientes, sem que a saúde de seus colaboradores e fornecedores

fique prejudicada.

Objetivo

O presente trabalho teve como objetivo apresentar as diferentes espessuras

de camadas cementadas obtidas pelos processos de cementação líquida e gasosa,

assim como verificar a eficiência metalográfica e microdurezas entre os processos

analisando seus comportamentos e resultados, observando que em ambos os

casos utilizou-se os mesmos parâmetros de patamares de temperaturas de

cementação, porém com meios diferentes de resfriamentos após tratamento térmico

e tempo de exposição.

16

O processo de cementação líquida consiste em mergulhar peças em fornos

de banhos de sais, com o objetivo de obter uma camada superficial que tenha certa

resistência ao desgaste, superior à situação da peça em seu estado inicial,

mantendo seu núcleo dúctil e tenaz.

Já no processo de cementação gasosa, as peças são colocadas dentro de

um forno, no qual o ambiente interno do forno possui um controle de atmosfera do

carbono.

Em ambos os casos, o objetivo principal é obter uma camada de carbono

na superfície da peça, através do fenômeno da difusão atômica, para que obtenha

maior resistência ao desgaste. Neste trabalho, observaram-se as diferentes

espessuras das camadas que se obtêm ao aplicar os processos de cementação

líquida e gasosa, a metalografia e microdurezas, analisando se as espessuras e o

desenvolvimento dos processos condizem com a literatura usada como referência

neste trabalho.

Metodologia

Para que o objetivo fosse atingido, este trabalho baseou-se em uma revisão

bibliográfica, por meio principalmente de livros, apostilas de sites correlacionados à

área acadêmica e de procedimentos operacionais de empresas do setor

metalúrgico que aplicam comumente estes processos.

Procedimentos

No primeiro capítulo, foram apresentados em subtítulo e de forma

sequencial em que são realizados os experimentos práticos, os conceitos da

produção e obtenção dos aços, assim como a classificação dos principais

elementos de liga que compõem o material utilizado, os tratamentos termoquímicos

e os dois processos de cementação de estudo, em que são informadas algumas

vantagens e desvantagens sobre os aços para cementação e as características do

aço 18CrNiMo7-6, os tratamentos térmicos de têmpera e revenimento que são

aplicados normalmente quando se aplica a cementação, um breve conceito de

17

ensaios mecânicos, em específico, o ensaio de dureza e, por fim, a metalografia

também foi conceituada.

No segundo capítulo, apresentaram-se os materiais que foram utilizados

durante a aplicação dos processos de cementação, mostrando os corpos de prova e

suas identificações, bem como a preparação dos mesmos que antecederam a

colocação no forno para a realização dos tratamentos termoquímicos, os fornos

utilizados para tratamentos térmicos, os equipamentos para análises metalográficas

e de durezas e os demais registros pertinentes à praticidade deste trabalho.

No terceiro capítulo, apresentaram-se os resultados obtidos e, finalmente no

quarto capítulo, a conclusão deste trabalho...

18

1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

1.1 Produção do aço

O principal processo de fabricação de aço consiste na metalurgia ou

produção do ferro fundido através de um aparelho utilizado chamado alto-forno

(Figura 1.1) que consiste essencialmente na redução dos óxidos dos minérios de

ferro, mediante o emprego de um redutor, que é um material à base de carbono, o

carvão, o qual atua igualmente como combustível e, indiretamente, supridor do

carbono para as ligas ferro-carbono de alta concentração de carbono que são os

principais produtos do alto-forno. (CHIAVERINI, 1986).

Figura 1.1 Seção Transversal de uma Instalação de Alto-Forno.

Fonte: CHIAVERNI (1986, p. 18)

19

Sendo o ferro gusa uma liga ferro-carbono em que o carbono e as impurezas

normais (Si, Mn, P e S, principalmente as duas primeiras) se encontram em

elevados teores, a sua transformação em aço, que é uma liga de mais baixos teores

de C, Si, Mn, P e S, corresponde a um processo de oxidação, no qual a

porcentagem é reduzida até valores desejados.

Para que o ferro gusa tenha a transformação em aço, é necessária a

utilização de agentes oxidantes, os quais podem ser de natureza gasosa (como ar e

oxigênio), ou de natureza sólida (como minérios na forma de óxidos). O processo

mais comum é o pneumático tradicional que se utiliza dos agentes oxidantes

gasosos em um equipamento chamado conversor Bessemer (Figura 1.2)

(CHIAVERINI, 1986).

Figura 1.2 Seção Transversal Esquemática de um Conversor Bessemer.

Fonte: CHIAVERNI (1986, p. 32)

20

No conversor Bessemer, são realizadas as reações de oxidações dos

elementos contidos no ferro gusa ainda líquido, onde o principal elemento, o

carbono, possui no seu início, o teor de 4,0% a 4,5% de carbono. Conforme mostra

na parte inferior da Figura 1.2, o conversor passa por três posições típicas no

decorrer da operação de obtenção do aço, antes da completa refinação do aço e

vazamento para lingotamento (CHIAVERINI, 1986).

Há ainda uma grande diversidade de processos especiais de refino que

visam melhorar as características dos aços para atender as exigências crescentes

da indústria mecânica de uma forma geral. Alguns dos processos que merecem

destaque são as operações de metalurgia da panela, processo de desgaseificação,

desgaseificação a vácuo e o dessulfuração que são realizados após o vazamento e

antes da solidificação. (CHIAVERINI, 2008).

1.2 Classificações dos Aços

São muitos os tipos de aços encontrados no mercado, pois além dos aços

simplesmente ao carbono, com teores variáveis de carbono, existem vários outros

aços-ligados com também, vários teores de elementos de liga.

Para facilitar a seleção dos aços, associações técnicas especializadas foram

criadas e classificaram os aços de acordo com sua composição química, dando

origem aos principais sistemas SAE e AISI (americanos), DIN (alemão), ABNT

(brasileiro), etc.

O sistema brasileiro da ABNT baseou-se nos sistemas americanos. Neles,

basicamente, os vários tipos de aço com porcentagem até 1% de carbono,

juntamente com os elementos comuns mínimos de impurezas a até mesmos

elementos de liga em baixos teores, são indicados por quatro algarismos, sendo os

dois primeiros correspondentes à presença ou não de elementos de liga e os dois

últimos ao teor de carbono médio existente. A mudança de um desses algarismos ou

de ambos indica um novo tipo de aço, por exemplo:

21

SAE 1045 – aço-carbono com teor médio de C 0,45%;

SAE 1120 – aço de usinagem fácil, ao enxofre, com 0,20% de carbono

médio;

SAE 4420 – aços ao Ni-Cr-Mo, com 1,85% Ni, 0,50% Cr, 0,25% Mo e 0,20%

C;

SAE 5140 – aço ao Cr com 0,70% a 0,90% Cr e 0,40% C.

A norma DIN adota outro critério para classificar os aços, os aços comuns,

por exemplo, são indicados pelo símbolo St (Stahl = aço), seguido de um algarismo

correspondente ao valor mínimo de resistência à tração – St42, St35, etc.

Os aços especiais, com teores de carbono acima de 1% ou com a presença

de elementos de liga em altos teores, como aços para ferramentas e matrizes,

resistentes à corrosão e ao calor, obedecem a outros critérios de classificação.

(CHIAVERINI, 1986).

Os aços carbono possuem quantidades mínimas de Silício e Manganês e

proporções ainda menores de Fósforo e Enxofre, onde estes dois últimos quando

apresentados em grandes quantidades são considerados impurezas, afetando a

qualidade dos aços. (CHIAVERINI, 2008).

Os aços de baixa liga são aços carbono acrescidos de elementos de liga, os

quais melhoram algumas propriedades mecânicas.

Alguns elementos de liga aumentam a resistência do aço através da

modificação da sua microestrutura para grãos finos.

Os elementos de liga mais comum e seus efeitos nas propriedades dos aços

são, segundo Chiaverini (1986) e Milan, Maluf, Spineli e Bose (2008),

i. Carbono (C) - É o elemento de liga mais eficaz, pois ele aumenta a dureza e a

resistência do aço.

ii. Enxofre (S) - Normalmente é um elemento indesejável no aço, pois causa

fragilidade, mas se adicionado em poucas quantidades melhora a usinabilidade do

aço.

iii. Manganês (Mn) - Em teores de 1,0% age como agente desoxidante ou

dessulfurante.

iv. Cromo (Cr) - Combinado com carbono, é um poderoso elemento de liga que

aumenta a dureza dos aços, aumenta a resistência à corrosão e a resistência dos

aços as altas temperaturas.

22

v. Níquel (Ni) - A principal característica do níquel é melhorar a ductilidade ou a

tenacidade ao entalhe, é eficaz a resistência ao impacto do aço e baixas

temperaturas.

vi. Molibdênio (Mo) - Aumenta fortemente a profundidade de têmpera, é muito

usado em combinação com o cromo para aumentar a resistência do aço a altas

temperaturas. Esse grupo de aço é referido como aços ao cromo-molibdênio.

vii. Silício (Si): é elemento essencialmente desoxidante, pois neutraliza a ação de

formação de CO ou CO2, por ocasião da fusão e solidificação dos aços; contribui

para o endurecimento por solução sólida; melhora a resistência à oxidação a altas

temperaturas; possui forte efeito grafitizante, eliminando carbonetos e, portanto, não

deve estar presente em aços de alto teor de carbono; e em altos teores aumenta a

resistência à corrosão.

viii. Fósforo (P): embora pouco desejável em alguns aços, aumenta a

usinabilidade de aços; aumento da resistência à corrosão; depois do carbono e

nitrogênio é o elemento com mais forte efeito de endurecimento por solução sólida;

etc.

1.3 Aços para Cementação

De acordo com Chiaverini (2008), o enriquecimento superficial de carbono

nos aços, proporcionado pela cementação, visa produzir uma superfície de alta

dureza e resistência ao desgaste, suportada por um núcleo tenaz. Em princípio,

inúmeros tipos de aços apresentam condições satisfatórias para esse fim. É preciso

considerar, entretanto, que a cementação exige tratamento térmico relativamente

complexo, de modo que a seleção de aço para peças cementadas não pode ser feita

baseada somente na aplicação final do material, mas também tendo em vista o

tratamento térmico que vai sofrer. De início, dois fatores básicos devem ser levados

em conta ao escolher um aço para cementação:

- Meio de resfriamento a ser usado na têmpera após a cementação;

- Tipo e grau de tensões a que as peças poderão estar sujeitas.

As principais variáveis a serem consideradas a respeito do meio de

resfriamento são: forma e secção das peças e distorção ou empenamento tolerável.

Os meios usualmente empregados na cementação são água ou soluções aquosas e

23

óleo. Os primeiros são os mais drásticos e são empregados quando as peças são de

forma simples ou apresentam secções apreciáveis e também quando a possibilidade

de empenamento é menor. Além de se caracterizarem pela alta velocidade de

resfriamento, esses meios são de baixo custo e facilitam a limpeza final das peças.

O óleo é recomendável quando as peças apresentam secções complexas ou finas,

as quais são mais suscetíveis ao empenamento ou mesmo à ruptura na têmpera.

É evidente que, em qualquer caso, a velocidade de resfriamento deve

permitir a obtenção da dureza superficial desejada e as propriedades convenientes

de tenacidade e resistência do núcleo. Neste caso, a velocidade crítica de

resfriamento do aço, ou seja, o tipo de aço a ser usado constitui fator preponderante.

Quando a única exigência é a máxima dureza superficial, a escolha recairá num aço

de baixo carbono sem ou com teores mínimos de elementos de liga e em água ou

preferivelmente soluções aquosas, como meio de têmpera, desde, é claro, que o

formato e as dimensões das peças permitam a utilização desse meio de

resfriamento. Quando o formato e as dimensões das peças sob cementação forem

tais que haja probabilidade de ruptura ou empenamento pela utilização de um meio

drástico de resfriamento, a escolha recairá em óleo, como meio de têmpera, e num

aço apresentando teores convenientes de elementos de liga, para que sua

velocidade critica de resfriamento produza endurecimento satisfatório com emprego

do meio de têmpera mais brando. Esses aços, com teores apreciáveis de elementos

de liga, são também vantajosos sob o ponto de vista de propriedades finais do

núcleo.

Já em relação ao tipo e grau de tensões, deve-se considerar o seguinte:

espessura e estrutura metalográfica da camada cementada, propriedades

mecânicas do núcleo e característicos da zona de transição.

Em linhas gerais pode-se dizer que dois tipos de camadas cementadas são

usados: hipereutetóide, quando se visa em primeiro lugar alta resistência ao

desgaste; eutetóide ou ligeiramente hipoeutetóide, quando o requisito importante da

superfície endurecida for tenacidade, visto que um rendilhado de carboneto livre

intergranular presente nos aços hipereutetóides é mais propício para conferir

fragilidade.

24

No caso da aplicação em que o desgaste é fator importante, deve-se

procurar igualmente a produção de uma camada com espessura razoável, pois com

isso se prolonga a vida das peças.

Sob o ponto de vista de dureza e resistência da camada cementada, a

introdução de elementos de liga pouco afeta essas propriedades. Entretanto, os

elementos de liga parecem influir no teor de carbono dessa camada assim como na

sua profundidade. Assim é que os elementos formadores de ferrita, como o silício e

o níquel (este em altos teores) tendem a produzir baixo carbono. Por outro lado, a

espessura da camada cementada e o gradiente de carbono dependem da difusão do

carbono, a qual por sua vez é afetada principalmente pela temperatura e pelo tempo.

Vários autores admitem também que os elementos de liga possam influenciar a

profundidade de cementação e a velocidades de penetração do carbono na

superfície.

Outra opinião mais ou menos generalizada é que a tenacidade da camada

cementada pode ser melhorada pela presença de certa quantidade de austenita

residual, embora a dureza superficial seja prejudicada. A austenita pode ser retida

por têmpera direta em muitos tipos de aços para cementação, principalmente

quando o teor de carbono superficial é elevado. A tendência à formação da austenita

residual é acentuada por teores mais elevados de elementos de liga (além do

carbono mais alto), pela temperatura de têmpera e pelo emprego de óleo como meio

de resfriamento, em lugar da água.

Lembrando que a temperatura de revenido para os aços cementados é

geralmente baixa, de 150 ºC (ou menos) a 175 ºC, de modo a reter a estrutura

martensítica dura; na realidade, há passagem da martensita tetragonal à martensita

cúbica. De qualquer modo, as temperaturas mencionadas não são suficientes para

eliminar a austenita retida, quando esta estiver presente.

O efeito aparentemente benéfico da austenita retida parece provir do fato

dela produzir como que uma ação de amortecimento, o que diminui as tensões

internas ou mesmo a formação de verdadeiras fissuras nas agulhas de martensita.

Aparentemente deve-se procurar produzir um núcleo o mais possível tenaz.

Porém, nada adianta um núcleo excepcionalmente tenaz, se existir uma fissura na

camada superficial rica em carbono, pois essa fissura propagar-se-á através do

núcleo, por mais tenaz que ele seja. Conclui-se que parece ser muito mais

25

importante produzir uma camada cementada muito dura e convenientemente

suportada. A menor importância que se tem dado à tenacidade do núcleo, tem

permitido substituir os aços com 0,1% de carbono pelos de 0,2% de carbono, que

são mais facilmente usináveis.

Em relação à zona de transição o ideal é possuir uma transição gradual, a

qual proporcionará o melhor suporte para a camada cementada. Duas variáveis

afetam a qualidade da zona de transição: difusão e estrutura. Se a difusão for

insuficiente, produzir-se-á uma zona de transição muito viva, que favorecerá o

lascamento da superfície. Com difusão constante, a resistência da zona de transição

dependerá da sua estrutura que pode ser ferrita, perlita ou bainita.

Por outro lado, quanto maior a temperabilidade do aço, tanto mais resistente

será a zona de transição. Uma das razões do emprego de aços-liga para a

cementação seria essa. O melhor suporte da camada cementada é dado por uma

zona de transição gradual e resistente; sob esse aspecto, quanto maior for a

temperabilidade do aço, melhor. Daí uma das principais razões de se empregar

aços-liga para a cementação e o motivo pelo qual se tende à utilização de aços com

carbono mais elevado; com isso, além de se melhorar o suporte da camada

cementada, produz-se também núcleos mais resistentes. A não ser que as

condições de serviço exijam uma camada cementada muito espessa, preferem-se

camadas relativamente finas, com núcleos de carbono mais elevado, portanto mais

resistentes e que dão melhor suporte à superfície endurecida.

Do exposto acima, verifica-se que a tendência atual na produção de peças

cementadas é a utilização de aços-liga. A introdução de elementos de liga,

entretanto, quando em teores apreciáveis, reflete-se no custo dos aços, além de

afetar, tornando mais difíceis, as operações de fundição, forjamento, laminação e

tratamentos térmicos. Por esse motivo, procura-se utilizar, sempre que possível,

para aplicações mais simples, aço-carbono ou, quando necessário, aços de baixo

teor de liga com carbono mais elevado do que nos aços simplesmente ao carbono.

Em certos casos, contudo, devido às secções e formas das peças cementadas,

pode-se ter necessidade de um aço de alta temperabilidade. Nesse caso, a solução

é introduzir elementos de liga em teores mais elevados para garantir o

endurecimento máximo. (CHIAVERINI, 2008).

Os aços para cementação são, portanto, de três tipos:

26

- aços-carbono;

- aços-liga de baixo teor de liga;

- aços-liga de teor em liga mais elevado.

O material de estudo para esse trabalho possui altos teores de ligas, estes a

soma total de elementos de liga ultrapassa 2%, esses aços apresentam

temperabilidade muito elevada, de modo que o teor de carbono não deve superar

0,25%.

Com esses aços, conseguem-se excepcionais valores de resistência e

tenacidade do núcleo, muito importantes para certas condições de serviço. Além

disso, eles possibilitam a produção de peças cementadas de secção apreciável,

possuindo as desejadas propriedades do núcleo. O custo, dificuldade na sua

fabricação e tratamentos térmicos limitam o seu uso a casos especiais.

As peças cementadas a partir desses aços destinam-se a aplicações tais

como engrenagens de transmissão, coroas, pinhões, pinos, buchas e peças diversas

de veículos e máquinas em geral.

É importante o conhecimento das propriedades físicas e químicas dos

materiais para que seu ciclo de tratamento seja escolhido de acordo com suas

especificações técnicas e suas posteriores aplicações, o qual será mostrado mais a

frente.

1.4 Cementação

Esse tipo de técnica é utilizado em tratamento de peças metálicas e tem

como intuito o endurecimento superficial através da modificação parcial da

composição química do material, na qual ocorre por meio da difusão termoquímica

de elementos na superfície do aço, por isso é chamado de tratamento termoquímico,

ou seja, matéria sendo transportada através da matéria com auxílio da temperatura

e do tempo, conforme mostrado na Figura 1.3. Normalmente são utilizados

elementos como: carbono, nitrogênio e boro, embora tenham outros com o mesmo

princípio.

São vários os tipos de tratamentos termoquímicos, como por exemplo, a

nitretação, cianetação, carbonitretação, boretação, e a cementação que será à base

deste estudo.

27

Figura 1.3 Difusão Termoquímica.

Fonte: site IFBA (2013, p. 7)

O processo de cementação é um dos tratamentos termoquímicos utilizados

para endurecimento superficial os aços, tendo como elemento fundamental, o

carbono, que por meio da difusão é introduzido à peça para aumentar o teor

superficialmente.

Para que ocorra o processo de cementação, os aços devem possuir baixo

teor de carbono, pois quando aquecidos a elevadas temperaturas (de

austenitização), na presença de um meio carbonetante, o carbono desse meio reage

com o ferro do aço, de acordo com a reação simples: (CHIAVERINI, 2003).

C+3Fe = Fe3C (1:1)

Mantém-se durante determinado tempo suficientemente para atingir a

profundidade desejada do ter de carbono e tempera-se posteriormente, sendo assim

obterá estrutura martensítica na sua superfície e dependendo do material, o núcleo

terá perlita e ferríta primária. Portanto, a superfície do aço fica enriquecida de

carbono, até uma profundidade que pode ser perfeitamente preestabelecida e

controlada, e posteriormente pode-se realizar a aplicação simultânea de um

tratamento térmico, que no âmbito desde trabalho, utilizaremos a têmpera e

revenimento.

As temperaturas do processo variam de 850°C a 950°C onde nesta faixa, o

ferro está na forma alotrópica gama. Os processos usuais de cementação permitem

elevar o teor de carbono da superfície do aço a valores que variam de 0,8% a 1,0%.

28

A profundidade da cementação depende da temperatura e do tempo, sendo

que em elevadas temperaturas e com um tempo maior, facilitam a difusão do

carbono para o interior do aço como mostram as Figuras 1.3 e 1.4.

Figura 1.4 Curvas Mostrando a Influência da Temperatura e Tempo na Penetração

Superficial do Carbono.

Fonte: Chiaverini (1986, p. 107)

Sendo assim, podemos dizer que no processo de cementação, quanto

menor o teor de carbono o aço ou a peça inicial tiver maior será a velocidade de

difusão, pois maior é o gradiente de concentração entre o meio carbonetante e a

peça; e que quanto maior a temperatura imposta no processo, maior o coeficiente de

difusão e portanto mais rápido o processo.

29

1.5 Cementação Líquida

Na cementação líquida, o meio carburizante, é um sal fundido, entre eles

cianeto de sódio, cloreto de bário, cloreto de potássio, cloreto de sódio, carbonato de

sódio.

O tratamento termoquímico, de cementação líquida, é um processo rápido e

limpo, que confere às peças que passam por esse tratamento, maior proteção contra

a corrosão, descarbonetação, elimina praticamente o empenamento. As peças são

mergulhadas de forma, que permite que a cementação seja localizada. Devido às

altas temperaturas dos banhos de sal, desprende-se dos fornos gases que podem

ser tóxicos, provenientes dos cianetos que constituem o banho. Deve-se então,

conter nos fornos específicos para este tratamento, um sistema de exaustão nos

fornos, para evitar a inalação dos gases (POSTAL, 1999).

O sal fundido é composto de cianeto de sódio (NaCN) e cianato de sódio

(NaCNO).

A camada endurecida contém apreciável quantidade de nitrogênio, que pode

formar nitretos. Os nitretos aumentam a resistência ao desgaste e reduzem o

amolecimento durante os tratamentos térmicos, como o revenimento (SILVA, MEI,

2006).

Consideram-se geralmente dois tipos de banhos para cementação líquida:

aqueles para camadas de pequena profundidade e aqueles para camada de grande

profundidade. Há uma superposição de composição do banho para os dois tipos de

camadas. Em geral, um tipo de banho se distingue do outro mais pela temperatura

de operação do que pela composição, de modo que as expressões “baixa

temperatura” e “alta temperatura” são preferidas.

Os banhos de baixa temperatura são comumente operados entre as

temperaturas de 840 ºC a 900 ºC, embora para certos efeitos específicos, essa faixa

de temperatura seja, algumas vezes, estendida de 790 ºC a 915 ºC com os banhos

para operação em baixa temperatura, a espessura de camadas cementadas varia de

0,08 a 0,8mm.

O mecanismo de cementação com banhos de baixa temperatura é

complexo. Devido ao número de produtos finais e intermediários que se formam

30

entre os quais, há os seguintes: carbonatos alcalinos (Na2CN ou BaCN2) e cianeto

(NaNCO) (NORMA DIN, 2008).

Quanto aos banhos de grande penetração, o processo consiste em utilizar

altas temperaturas: (900 ºC a 950 ºC). A cementação líquida é realizada mantendo o

aço à temperatura acima de Ac, num banho de sal fundido, com composição

adequada para promover o enriquecimento superficial de carbono.

Os banhos carburizantes líquidos apresentam as composições indicadas na

Figura 1.5.

Figura 1.5 Composição de Banhos de Sal para Cementação Líquida.

Fonte: Chiaverini (1986, p. 110)

Algumas das reações são as seguintes:

I 2NaCN + O2 => 2NaCNO

II 4NaCNO => 2NaCN + Na2CO3 + CO + N2

III 2CO + Fe => Fe(C) + CO2 (1:2)

31

A primeira e a terceira reações são pelo menos parcialmente reversíveis. As

reações que produzem seja CO, seja C, são benéficas para obtenção da desejada

camada cementada, como, por exemplo:

3Fe + 2CO => Fe3C + CO2 e 3Fe + C => Fe3C (1:3)

Os banhos de alta temperatura, operados a temperaturas entre 900ºC e

955ºC promovem camadas cementadas de maior profundidade – entre 0,5 e 3,0mm.

Operação em temperaturas acima de 950ºC, entre 980ºC e 1035ºC, resulta em

rápida penetração de carbono, porém a deterioração do banho, assim como do

equipamento, é grande e acelerada.

A principal reação, na operação com banhos de alta temperatura é a

seguinte:

Ba (CN)2 => BaCN2 + C (1:4)

Esta reação é reversível.

Na presença do ferro, tem-se:

Ba (CN)2 + 3e => BaCN2 + Fe3C (1:5)

Cianeto de bário Cianamida de bário

De fato, a ação carburizante é devida, principalmente, ao cianeto de sódio

NACN ativado ou catalizado pela presença de sais alcalinos terrosos, como de bário,

cálcio ou estrôncio:

2NaCN + BaCl2 => Ba (CN)2 + 2NaCl (1:6)

1.5.1 Considerações a Respeito da Cementação Líquida

A cementação líquida utiliza o princípio ativo dos cianetos que, pela

oxidação, produzem CO que entra em solução sólida com o carbono.

Alguns fatores devem ser considerados e são importantes para o processo

de cementação líquida.

Os banhos líquidos de cementação devem:

ter uma cobertura, a qual pode ser obtida pela adição de grafita de

baixo teor em sílica no banho fundido;

as peças devem ser introduzidas limpas e secas;

32

os fornos exigem exaustão, visto que cianetos, a altas temperaturas

são venenosos;

do mesmo modo e pelos mesmos motivos, deve-se evitar contato com

sais de cianeto com ácidos, visto desprender-se ácido cianídrico;

deve-se evitar após a cementação líquida, resfriamento ao ar, porque a

película de sal aderente às peças não as protege suficientemente,

podendo ocorrer oxidação ou descarbonetação;

de preferência, deve-se empregar, como meio de resfriamento,

salmoura com 10% a 15% de cloreto de sódio, ou, no caso de óleos,

utilizar óleos minerais puros ou óleo especial para têmpera;

o resfriamento em água provoca o desprendimento fácil e completo de

qualquer sal aderente, facilitando a lavagem posterior, no caso de

resfriamento em óleo, convém, após o mesmo, lavar as peças em água

quente.

Recomenda-se para os aços-liga a têmpera em banho de sal quente a mais

ou menos 180ºC, neste caso, geralmente é necessário efetuar um novo

reaquecimento para nova têmpera, a qual, para prevenir a formação de austenita

residual, deve ser levada a uma temperatura mais baixa, de ordem de 800ºC.

A profundidade de cementação que pode ser obtida com banhos de sal varia

com sua composição, com o tempo de operação e com a temperatura do banho,

podendo-se atingir em 3 ou 4 horas, cerca de 1,5mm. De um modo geral, os tempos

necessários são mais curtos que nos outros processos de cementação.

Em tempos mais curtos de 1 a 2 horas, obtém-se com relativa facilidade a

profundidade de cementação cerca de 0,50mm, apresentando um teor de carbono

de 0,70% a 1,00% com aproximadamente 0,2% de nitrogênio, este último

concentrado principalmente na superfície do aço (CHIAVERINI, 2008).

33

1.5.2 Principais Vantagens da Cementação Líquida

As principais vantagens da cementação líquida são:

o processo de cementação líquida é rápido, e a profundidade de

penetração ocorre em tempos relativamente curtos;

as peças entram em contato com a massa líquidae devido à

temperatura estimada para o tratamento, o tempo de permanência no

banho, é de poucos minutos;

neste tratamento, as peças adquirem uma proteção contra a oxidação

e descarbonetação;

para a introdução das peças no interior do banho, os dispositivos

utilizados são ganchos e cestas especiais;

para têmperas diretas, não há vestígios de óxidos;

certo controle da profundidade de penetração;

possibilidade de operação contínua, pela colocação ou retirada das

peças, enquanto outras ainda estão em tratamento;

menor possibilidade de empenamento;

maior facilidade de produzir-se cementação localizada (CHIAVERINI,

2008).

1.5.3 Principais Desvantagens da Cementação Líquida

As desvantagens do tratamento de cementação líquida são:

alta toxidez dos cianetos;

necessidade de limpeza posterior em alguns casos, como a têmpera

em óleo (SILVA, MEI, 2006).

34

1.6 Cementação Gasosa

A cementação gasosa consiste em se colocar a peça a ser cementada em

um forno com atmosfera potencial de carbono controlado. Cementação gasosa,

comercialmente é o método mais importante de cementação, e geralmente é obtido

em um forno onde sua atmosfera é rica em carbono, tais quais gases

hidrocarbonetos, por exemplo, o CH4, C3H e C4H10, ou vaporizado por

hidrocarbonetos líquidos (SILVA, MEI, 2006).

1.6.1 Considerações a Respeito da Cementação Gasosa

Os gases são adicionados ao forno conforme sua taxa de cooperação na

cementação. Para o gás cementante é empregado o gás natural (80 a 90% de CH4 e

10 a 20% de C2H6), o propano (C3H8), o butano (C4H10) e mais recentemente, no

Brasil, o álcool etílico volatizado (C3H5 OH).

O gás de veículo para a cementação é fornecido a uma taxa de fluxo

elevada para garantir uma pressão positiva do forno, minimizando a entrada de ar

para dentro do forno. Geralmente as misturas de gases são utilizadas para a diluição

do gás cementante, esses gases:

N2 (40 a 97%); CO (2 a 35%); CO2(0 a 5%); H2 (1 a 40%); CH4 (0 a 1%).

Com relação entre gás veículo e o cementante variando de 8:1 a 100:1,

respectivamente (SILVA, MEI, 2006).

Para obter os componentes cementados, os mesmo são primeiro aquecidos

numa atmosfera neutra até temperaturas de 870-940°C, para então serem inseridos

os gases propostos para a carbonetação.

Nas atmosferas endotérmicas de cementação consistem as misturas dos

agentes de cementação que são CO e CH4; e descarbonetação CO2 e H2O, eles são

fatores essenciais para o potencial de cementação no forno. É importante manter um

elevado potencial de cementação durante todo o processo, o que sustenta esse

último, é a força motriz da cementação que é determinado entre o potencial de

carbono na atmosfera e de carbono na superfície do aço.

35

As principais reações para a cementação a gás são:

CH4=>(C) + 2H2

CO + H2O => CO2 + H2

CO => (C) + CO2

CO + H2=> (C) + H2O (1:7)

Como estas reações são reversíveis, dependendo da temperatura e das

concentrações de metano (CH4) e hidrogênio (H2), o aço pode tanto receber

carbono (C) como perdê-lo.

A camada cementada varia normalmente de 0,5 a 2,0 mm, e depende além

do tempo e da temperatura do potencial de carbono no forno (CHIAVERINI, 2008).

1.6.2 Principais Vantagens da Cementação Gasosa

A mistura carburizante fica bem definida e estável durante toda a fase ativa

da cementação, ao contrário do que ocorre na cementação sólida, em que a mistura

carburizante perde em eficiência, à medida que a operação se prolonga, diminuindo

a ação carbonetante;

é um processo mais limpo que a cementação sólida, pois eliminam os

pós, as caixas pesadas e custosas;

permite melhor controle do teor de carbono e da espessura da camada

cementada;

é mais rápida e oferece possibilidade de uma só têmpera direta.

1.6.3 Principais Desvantagens da Cementação Gasosa

As reações de carbonetação são muito mais complexas e algumas podem

ser prejudiciais por que:

● custo da instalação muito alto, exigindo também aparelhagem complexa

de controle e de segurança, que ocasiona a necessidade de pessoal mais habilitado;

● controle não é somente das temperaturas, como é praticamente o caso da

cementação sólida, mas igualmente da constância da mistura carburante gasosa

(CHIAVERINI, 2008).

36

1.7 Considerações a Respeito do Aço DIN EN 10084 - 18CrNiMo7-6

1.7.1 Composição Química

O aço em estudo, é um tanto quanto pouco utilizado no mercado em geral,

pouco se houve falar deste material, porém é bem difundido entre as empresas que

trabalham com redutores de velocidade, no qual utilizam com frequência

engrenagens de transmissão, onde o objetivo principal é a vida útil das

engrenagens, depositando maior capacidade produtiva com menor desgaste durante

operação. A tabela 1.1 mostra a composição química do aço 18CrNiMo 7-6,

podemos observar que é muito distante do que se está acostumado a ver e até

mesmo difícil de encontrar aços semelhantes a este.

Tabela 1.1 Composição Química do aço 18CrNiMo7-6.

Faixa/Elemento C Si Mn Cr Mo Ni P S Outros

Mínimo 0,15 - 0,50 1,50 0,25 1,40 - - -

Máximo 0,21 0,40 0,90 1,80 0,35 1,70 0,035 0,035 máx. 1,0 %

Fonte:TGM (2013, p. 1)

1.7.2 Aplicações

Este aço é amplamente utilizado em indústrias para fabricação de peças

como engrenagens de redutores, coroas, pinhões, pinos, alavancas, pequenos

mecanismos, e peças que não estão sujeitas a solicitações severas de outra

natureza a não ser desgaste superficial.

1.7.3 Características

O aço 18CrNiMo7-6 é característico de tratamentos termoquímicos como a

cementação, alta temperabilidade, boa usinabilidade, e excelente resistência

mecânica. A dureza superficial, na condição cementada, temperada e revenida

alcança 62 HRC, enquanto que em seu núcleo varia entre 32 e 38 HRC

aproximadamente, dependendo da bitola.

Possui excelente resistência ao desgaste, principalmente quando

cementado.

37

1.7.4 Propriedades Físicas e Mecânicas

O aço 18CrNiMo7-6 possui excelente resistência ao desgaste,

principalmente quando cementado, suas propriedades físicas e mecânicas mostram

na tabela 1.2 bastante resistência do material antes mesmo da aplicação do

tratamento termoquímico de cementação.

Tabela 1.2 Propriedades Físicas e Mecânicas do aço 18CrNiMo7-6.

Temperatura

Limite Elástico,

0,2%, mín.

[N/mm²]

Tensão de

Ruptura, mín.

[N/mm²]

Alongamento

em 50 mm

[%]

Redução

de Área,

mín.

[%]

Impacto,

mín.

[J]

Dureza,

máx.

[ºC] Longitud./Transv. Long./Transv. L T Q L T/Q L T/Q [HB]

20 785 1080 a 1320 11 9 8 40 27 40 30 159 -

220

Fonte:TGM (2013, p. 2)

1.7.5 Condições de Fornecimento

O material é fornecido primeiramente pela aciaria como lingote de aço

fundido com desgaseificação a vácuo e posteriormente em barra redonda forjada em

acabamento desbastado, normalizado, altamente revenido para obtenção de

microestrutura constituída de Ferrita + Perlita, podendo conter presença discreta de

bainita revenida e leve bandeamento, conforme mostra Figura 1.6.

Figura 1.6 Metalografia Típica do aço 18CrNiMo7-6 antes do Processo de Cementação.

Microestrutura Ferrita + Perlita com Presença Discreta de Bainita Revenida.

Fonte: TGM (2013, p. 4)

38

1.8 Tratamentos Térmicos

Os tratamentos térmicos têm como objetivo fundamental alterar as

propriedades mecânicas dos metais sem que seja afetada ou alterada a composição

química dos mesmos, através de aquecimento e resfriamento controlados em

diversas faixas de temperatura. Com o processo de aquecimento e resfriamento dos

metais, ocorrem modificações microestruturais, ou seja, alteram-se quantidade, tipo,

fração volumétrica e morfologia das fases presentes no metal.

A temperatura de aquecimento imposta no processo dependerá do material

e da transformação de fase ou microestrutura/propriedade desejada. Normalmente

submete-se o material a ser tratado, a uma temperatura de austenitização, a fim de

eliminar os efeitos causados de processos de fabricação anteriormente, porém, é

importante salientar que temperaturas muito altas podem obter crescimento de grão,

oxidação dos contornos de grão, etc. e em temperaturas muito baixas, pode ocorrer

de o material não ser completamente austenitizado, causando em ambos os casos

situações prejudiciais ao comportamento e aplicabilidade da peça fabricada nestas

condições do material. A Figura 1.7 mostra as diferentes faixas de temperaturas de

aquecimento e tipos de tratamento térmicos normalmente realizáveis.

Figura 1.7 Faixas de temperaturas de aquecimento no diagrama Fe-Fe3C para diversos tipos de

tratamentos térmicos em aços.

Fonte: Milan, Maluf, SpineliI, Bose (2008, p. 30)

39

Já o resfriamento, pode ser dividido em resfriamento contínuo e resfriamento

isotérmico.

O resfriamento contínuo ocorre de maneira que não tenha mudanças

abruptas na taxa de resfriamento, ou seja, a redução da temperatura acontece de

modo contínuo sem formação de patamares. No caso dos resfriamentos isotérmicos,

apresentam um ou mais patamares de temperaturas. A Figura 1.8 mostra os dois

tipos de resfriamento que ocorrem no processo de tratamento térmico dos metais.

Figura 1.8 Tipos de resfriamento no processo de tratamento térmico.

Fonte: Milan, Maluf, SpineliI, Bose (2008, p. 29)

Os tratamentos térmicos de resfriamento contínuo são têmpera, revenimento

ou alívio de tensões, homogeneização, recozimento, recozimento subcrítico,

esferoidização e normalização. Os de resfriamentos isotérmicos são principalmente

o de austêmpera e martêmpera. Os resfriamentos podem ocorrer em água,

salmoura, óleo, sais fundidos ou ar, dependendo da taxa de resfriamento desejada

(MILAN, MALUF, SPINELI, BOSE, 2008).

Destes iremos aplicar neste trabalho, o tratamento térmico de têmpera

resfriado em água e óleo, e posteriormente aplicar o revenimento.

De acordo com Chiaverini (1986), a têmpera é o tratamento térmico que se

realiza nos aços cementados. Após temperar esses aços deve-se levar em conta

que o material apresenta duas secções distintas, uma correspondente à camada

cementada, de alto teor de carbono, muito dura e de alta temperabilidade e outra,

central, de baixo teor de carbono e dúctil. Portanto o aço apresenta duas

40

temperaturas críticas, o que significa que, no aquecimento para têmpera, a

temperatura crítica do núcleo pode não ser atingida eventualmente.

O tratamento térmico de Têmpera nos aços tem como objetivo a obtenção

de microestrutura que proporcione propriedades de dureza e resistência mecânica

elevada (CHIAVERINI, 2003).

A peça a ser temperada é aquecida a temperatura de austenitização e em

seguida submetida a um resfriamento brusco formando uma estrutura Martensítica,

que depende da composição química para se formar. Em geral, quanto maiores os

teores de carbono e elementos de liga presente no material, maior a temperabilidade

e consequentemente menor a taxa de resfriamento necessária.

Os meios de resfriamentos mais utilizados são em água e óleo, podendo ser

realizada com as seguintes técnicas:

- têmpera direta, que consiste em se temperar imediatamente após a

cementação;

- têmpera simples, em que o aço após a cementação é esfriado ao ar e em

seguida é aquecido e temperado.

Geralmente após cementação e têmpera realiza-se o Revenimento, no qual,

utiliza-se de baixas temperaturas, entre 135 ºC e 175 ºC, para alívio das tensões

(CHIAVERINI, 1986).

O Revenimento é um tratamento térmico realizado após a têmpera com o

objetivo de reduzir a fragilidade decorrente ao seu resfriamento brusco. Este

tratamento consiste em aquecer o material até uma determinada temperatura e

mantendo-a ao tempo requerido neste patamar, o resfriamento é geralmente é feito

ao ar. O principal fator do revenimento é propiciar um aumento da ductilidade e

tenacidade do material, no qual a estrutura foi afetada pelo resfriamento,

transformação de fase e, portanto, deformação plástica.

Ao passo que a estrutura do material se transforma em martensíta gera-se

uma grande tensão e discordâncias consideráveis, resultando em um material

extremamente frágil e praticamente sem aplicações, no entanto, o revenimento pode

provocar um rearranjo estrutural e reduzir o número de discordâncias presentes na

microestrutura, aumentando assim, a ductilidade, tenacidade, diminuindo um pouco

a dureza e a resistência mecânica (MILAN, MALUF, SPINELI, BOSE, 2008).

41

1.9 Ensaios Mecânicos

Os ensaios mecânicos são utilizados para determinar certas característica e

o comportamento dos materiais.

As propriedades mecânicas dos materiais são verificadas pela execução de

ensaios cuidadosamente programados, que reproduzem o mais fielmente possível

as condições de serviço. Dentre os fatores a serem considerados nos ensaios

incluem-se a natureza da carga aplicada, a duração de aplicação dessa carga e as

condições ambientais. A carga pode ser de tração, compressão ou cisalhamento, e a

sua magnitude pode ser constante ao longo do tempo ou então flutuar

continuamente.

A determinação das propriedades mecânicas de um material metálico é

realizada por meio de vários ensaios. Geralmente esses ensaios são destrutivos,

pois promovem a ruptura ou a inutilização do material. Nesta categoria de ensaios

destrutivos, estão classificados os ensaios de tração, dobramento, flexão, torção,

fadiga, impacto, compressão, dureza, entre outros (TELECURSO 2000, 1996).

Destes, o ensaio de dureza visa determinar as propriedades mecânicas do

material com muita frequência e na qual utilizaremos neste trabalho.

1.9.1 Ensaio de Dureza

O ensaio de dureza consiste na impressão de uma pequena marca feita na

superfície da peça pela aplicação de pressão com uma ponta de penetração. A

medida da dureza do material ou da dureza superficial é dada como função das

características da marca de impressão e da carga aplicada em cada tipo de ensaio

de dureza realizado. Esse ensaio é amplamente utilizado na indústria de

componentes mecânicos, tratamentos superficiais, vidros e laminados devido à

vantagem de fornecer dados quantitativos das características de resistência à

deformação permanente das peças produzidas. É utilizado como um ensaio para o

controle das especificações da entrada de matéria prima e durante as etapas de

fabricação de componentes.

Observe-se que os resultados fornecidos pela medida de dureza devem

variar em função de tratamentos sofridos pela peça.

42

Há métodos para se determinar a dureza como Brinell, Rockell, Vickers e

Shore. Os valores utilizados para cada método estão representados na Figura 1.10.

A dureza Vickers é um método semelhante ao ensaio de dureza Brinell, já

que também relaciona carga aplicada com a área superficial da impressão. O

penetrador padronizado é uma pirâmide de diamante de base quadrada e com

ângulo de 136º entre faces opostas. Este ângulo foi escolhido em função de sua

proximidade com o ângulo formado no ensaio Brinell entre duas linhas tangentes as

bordas da impressão e que partem desta impressão.

O ensaio é aplicado a todos os materiais com quaisquer durezas,

especialmente materiais muito duros, ou corpos de prova muito finos, pequenos e

irregulares. A expressão utilizada da dureza Vickers é, de acordo com Souza (1982),

HV = 1,8544Q/L² (1:8)

Onde: Q = carga (Kgf ou N);

L² = área da superfície piramidal (mm).

Conforme Souza (1982), como Q é dado em Kgf ou N e L em mm, a

dimensão da dureza Vickers é N/mm² ou Kgf/mm². Esse tipo de dureza fornece,

assim, uma escala continua de dureza (de HV = 5 até VH = 1000Kgf/mm²) para cada

carga usada. Entretanto, para cargas muito pequenas, a dureza pode variar de uma

carga para outra, sendo então necessário mencionar a carga usada toda vez que

ensaiar um metal.

A Figura 1.9 mostra o esquema de aplicação do método Vickers.

Figura 1.9 Esquema do Penetrador e Impressão da Dureza Vickers.

Fonte: Souza (1982, p. 125)

43

Figura 1.10 Tabela de Conversão de Durezas.

Fonte: site Eugenia Parafusos (2013)

44

1.9.2 Metalografia

A metalografia microscópica estuda produtos metalúrgicos, com auxílio do

microscópio, visando à determinação de seus constituintes e de sua textura. Este

estudo é realizado em superfícies previamente preparadas, ou seja, polidas e

atacadas por um reativo adequado.

Os metais, de forma geral, são agregados cristalinos, cujos cristais são

chamados de grãos, que também podem ser chamados de nódulo, veios, agulhas,

glóbulos, etc., devido a tratamentos térmicos, termoquímicos e ou conformações

mecânicas aplicadas ao material.

Com auxílio de uma técnica apropriada, consegue tornar visível a textura

microscópica do material, evidenciando os diversos grãos de que é formado. Assim

é possível identificar suas naturezas e respectivas porcentagens, suas dimensões,

arranjos e formatos, interpretando os dados que constituem, portanto, o escopo do

exame micrográfico dos metais.

A análise química do material revela do que se compõe o metal, os exames

macro e micrográfico fornecem preciosas informações sobre como o metal adquiriu

as propriedades que apresenta. Tais informações interessam muito, aos fabricantes,

e de forma geral, aos consumidores de produtos metálicos entre outros

(COLPAERT, 2008).

A Figura 1.11 mostra duas micrografias diferentes para exemplo, observadas

na metalografia dos metais.

Microestrutura Típica de Aço Baixo Carbono

Característico do SAE 1020.

Microestrutura Típica de Aço Médio Carbono

Característico do SAE 1045.

Figura 1.11 Microestruturas de Materiais para Exemplo de Metalografia.

Fonte: Laboratório de Materiais da Fatec Sertãozinho (2013)

45

2 MATERIAIS E MÉTODOS

Neste capítulo, serão descritos os equipamentos, materiais e procedimentos

experimentais empregados na realização deste trabalho.

2.1 Materiais Utilizados

Os materiais utilizados neste estudo estão descritos abaixo separados de

acordo com cada processo de cementação (líquida e gasosa):

2.1.1 Cementação Líquida

● Quatro corpos de prova do Aço 18CrNiMo7-6 preparados para o processo

de cementação líquida.

Figura 2.1 Amostras Identificadas de Cementação Líquida.

Fonte: Araujo, Rosa (autores deste TCC, 2013).

46

● Forno Eletrônico Brasimet F1 tipo poço com atmosfera controlada por sonda

de oxigênio, utilizado para realizar a cementação.

Figura 2.2 Forno Elétrico Tipo Poço Utilizado para Cementação.

Fonte: Araújo, Rosa (autores deste TCC, 2013)

● Forno Eletrônico Brasimet F3 tipo poço com atmosfera controlada por sonda

de oxigênio, utilizado para realizar a têmpera.

Figura 2.3 Forno Elétrico Tipo Poço Utilizado para o Tratamento de Têmpera.


47

● Forno Eletrônico BrasimetR4 modelo VK 80/130 tipo poço com atmosfera

controlada por sonda de oxigênio, utilizado para realizar o revenimento.

Figura 2.4 Forno Elétrico Tipo Poço Utilizado para o Tratamento de Revenimento.


2.1.2 Cementação Gasosa

● Quatro corpos de prova do Aço 18CrNiMo7-6 preparados para o processo

de cementação gasosa.

Figura 2.5 Amostras de Cementação Gasosa Identificadas com Tipador Industrial.


48

Figura 2.6 Amostras Perfuradas para Suporte de Cementação Gasosa.


● Forno Eletrônico Maxitrate ATM01 modelo X57 tipo poço com atmosfera

controlada por sonda de oxigênio, utilizado para realizar a cementação e a têmpera.

Figura 2.7 Forno Eletrônico Tipo Poço Modelo X57.


49

● Painel Digital Controlador de Temperatura, utilizado para realizar a medição

da temperatura de cementação e a têmpera.

Figura 2.8 Painel Digital Controlador de Temperatura de Cementação e Têmpera


● Painel Digital de Atmosfera Controlada, utilizado para realizar a medição da

porcentagem de carbono na atmosfera do forno.

Figura 2.9 Painel Digital Controlador de Atmosfera.


50

● Painel Registrador de Temperatura (Gráfico de Tratamento Térmico),

utilizado para realizar a marcação das faixas de temperatura realizada durante o

processo de cementação e têmpera.

Figura 2.10 Painel Registrador de Temperatura para Gráfico de Tratamento Termoquímico e Térmico.


Os materiais abaixo foram utilizados em sua maioria para ambos os

processos de cementação:

● Cortadeira Metalográfica da marca AROTEC.

Figura 2.11 Cortadeira Metalográfica.


51

● Embutidora de amostras da marca AROTEC, modelo PRE 40MI.

Figura 2.12 Embutidora de Amostras.


● Lixadeira e Politriz Metalográfica TECLAGO modelo PL 02 ETD

Figura 2.13 Lixadeira e Politriz Metalográfica.


52

● Microscópio óptico invertido da marca KONTROL, modelo MI 713

Figura 2.14 Microscópio óptico.


● Microdurômetro Digital marca TIME – modelo MHV 2000

Figura 2.15 Microdurômetro Utilizado para Medição das Amostras de Cementação Gasosa.


53

Durômetro Analógico marca FIXO-TEST

Figura 2.16 Durômetro Analógico Utilizado no Processo de Cementação Líquida.

Fonte: Araújo, Rosa (autores deste TCC, 2013).

Medidor de Espessura Convencional marca GALILEO modelo D 200

Figura 2.17 Medidor de Espessura da Camada Cementada (Líquida).


54

2.2 Metodologias aplicadas

2.2.1 Aço-Liga DIN EN 10084 – 18CrNiMo7-6

O aço empregado neste estudo foi o aço 18CrNiMo7-6, destinado à

fabricação de engrenagens de transmissão utilizado comumente em redutores de

velocidade, cuja composição química é fornecida na Tabela 2.1 conforme

especificação de fornecimento contemplada pela empresa TGM Transmissões

(Sertãozinho/SP), na qual, também nos forneceu o material para este estudo, em

forma de tarugo redondo devidamente usinado, sendo que quatro corpos de prova

foram preparados especificamente para o processo de cementação gasosa, tendo

diâmetro de 37mm e comprimento de 70mm cada; enquanto que para a cementação

líquida foi fornecida uma barra de 300mm com diâmetro de 40mm, onde preparamos

os corpos de prova no laboratório de materiais da FATEC, obtendo as dimensões

dos 40mm de diâmetro, pois já estavam usinada a superfície e, 25mm de

comprimento para cada corpo de prova.

Tabela 2.1 Composição Química do aço 18CrNiMo7-6.

Faixa/Elemento C Si Mn Cr Mo Ni P S Outros

Mínimo 0,15 - 0,50 1,50 0,25 1,40 - - -

Máximo 0,21 0,40 0,90 1,80 0,35 1,70 0,035 0,035 máx. 1,0 %

Fonte: TGM (2013, p. 1)

Os corpos de prova para o processo de cementação líquida foram fornecidos

o material, como dito acima, realizamos o corte nas dimensões citadas e levamos

para a empresa Ello Correntes para realização dos tratamentos de cementação,

têmpera e revenimento dos mesmos. A figura 2.18 mostra a preparação dos corpos

de prova para a cementação líquida.

Os corpos de prova para o processo de cementação gasosa foram 100%

confeccionados pela empresa TGM, conforme Figura 2.19, e enviados a uma

empresa especializada para o serviço de tratamentos térmicos e termoquímicos em

Araraquara/SP, onde realizou os tratamentos de cementação gasosa, têmpera e

Revenimento, os quais serão esclarecidos mais adiante, após o retorno dos corpos

55

de prova, realizou-se todo o procedimento de preparação laboratorial para

posteriores análises.

Figura 2.18 Corpos de Prova Preparados para Processo de Cementação Líquida.


Figura 2.19 Corpos de Prova Preparados para Processo de Cementação Gasosa.


Ø 37 mm

h = 70 mm

Ø 40 mm

56

2.2.2 Cementação, Têmpera e Revenimento

● Processo Líquido

Os corpos de provas de cementação líquida foram devidamente fixados e

pendurados conforme mostra a Figura 2.20, já em operação de cemetação; para

realização da têmpera segue o mesmo princípio de preparação e no caso do

revenimento foram colocados em um cesto apropriado para a atividade e com a

finalidade de facilitar a retirada das peças no forno.

Detalhe dos arames que penduram os Corpos de Prova para realização da

cementação líquida.

Figura 2.20 Detalhe de como os CP’s são Postos no Forno para Cementar e Temperar.


Para a cementação líquida, os quatro corpos de prova foram inseridos no

forno e aquecidos a 930ºC levando duas horas para atingir o patamar. Após atingir

essa temperatura de patamar, foram retirando-se os corpos de prova numa

sequência de duas horas de intervalo entre eles, ou seja, o CP nº 01 foi retirado com

duas horas após a temperatura atingir 930ºC, o CP nº 02 foi retirado com quatro

horas após, o CP nº 03 foi retirado com seis horas e o CP nº 04 foi retirado após oito

horas de tratamento. Portanto o processo durou dez horas num todo, como mostra

Tabela 2.2.

57

Tabela 2.2 Programação do Processo de Cementação Líquida do aço 18CrNiMo7-6.

TEMPO TEMPERATURA

PATAMAR 2 Horas 25 ºC (Amb.) – 930 ºC

Corpo de Prova nº 01 2 Horas 930 ºC





Cada corpo de prova passou por resfriamento ao ar com tempo de quarenta

minutos. Logo após foram colocados no forno para realização de têmpera, os quais

foram aquecidos a 780ºC durante quarenta minutos, depois foram realizados

martêmpera a 160ºC em três minutos e, em seguida, resfriado em água.

Após os processos de cementação e têmpera, as amostras foram revenidas

a 220ºC com tempo de duas horas e meia.

● Processo Gasoso

Na cementação gasosa, os corpos de provas foram fixados por arames,

porém este, não foi possível retirar fotos para amostragem da atividade, devido à

localidade em que foram feitas.

Os quatro corpos de prova foram inseridos dentro do forno onde a atmosfera

é controlada, permitindo assim uma eficiência um tanto quanto mais satisfatória que

o processo de cementação líquida, foi aquecido a uma temperatura de 930ºC

levando duas horas para atingir o patamar.

Com um tempo de quatro horas, foram retirando-se os corpos de prova

numa sequência de quatro horas de intervalo entre eles, ou seja, o CP nº 01 foi

retirado com quatro horas após a temperatura atingir 930ºC, o CP nº 02 foi retirado

com oito horas após, o CP nº 03 foi retirado com doze horas e o CP nº 04 foi retirado

após doze horas de tratamento. O processo durou dezoito horas num todo, como

mostra Tabela 2.3.

58

Tabela 2.3 Programação do Processo de Cementação Gasosa do aço 18CrNiMo7-6.

TEMPO TEMPERATURA

PATAMAR 2 Horas 25 ºC (Amb.) – 930ºC

Corpo de Prova nº 01 4 Horas 930ºC





Os corpos de prova foram colocados no forno para realização de têmpera,

logo após a cementação os quais foram aquecidos a 850ºC, e em seguida, obteve

resfriamento em óleo. Após os processos de cementação e têmpera, os corpos de

prova foram revenidos a 170ºC.

2.2.3 Preparação das amostras após tratamentos para posterior análise

1ª Etapa – Corte

Os corpos de prova foram cortados na cortadeira metalográfica AROTEC

conforme Figura 2.11, seccionados transversalmente em forma de “bolacha” e

posteriormente cortadas em quatro partes cada, retirando apenas uma parte destas,

obtendo, portanto, quatro amostras por tipo de cementação, assim sendo no total de

oito amostras para análises conforme mostram as Figuras 2.21 e 2.22.

2ª Etapa – Embutimento

Após o corte, as amostras foram embutidas na embutidora AROTEC

conforme Figura 2.12, utilizando do baquelite preto, o qual fornece maior resistência

no embutimento.

3ª Etapa – Lixamento

As amostras foram lixadas na Politriz Metalográfica TECLAGO conforme

figura 2.13 com as lixas número, 80, 100, 120, 180, 220, 360, 400, 600, 800, 1000,

1200 e 1500.

4ª Etapa – Polimento

Em seguida ao lixamento, as amostras foram polidas na politriz TECLAGO,

Figura 2.13, com auxílio de Alumina para eficiência do polimento.

59

5ª Etapa – Ataque

Com todas as amostras polidas, utilizou-se o reagente Nital 2% para o

ataque de revelação da camada cementada, atingindo seu objetivo conforme a

Figura 2.21 de cementação líquida e Figura 2.22 para cementação gasosa.

Figura 2.21 Amostras de Cementação Líquida após Ataque com Reagente Nital 2%.


Figura 2.22 Amostras de Cementação Gasosa após Ataque com Reagente Nital 2%.


60

2.2.4 Análise Metalográfica

Logo após o ataque, imediatamente foi realizado uma análise metalográfica,

através do microscópio óptico KONTROL com câmera acoplada, conforme Figura

2.14, a fim de se analisar a microestrutura obtida após os processos de cementação,

têmpera e revenimento, podendo observar as regiões constituídas das fases da

camada cementada, faixa de transição e núcleo das amostras, os quais serão vistas

no capítulo resultado;

2.2.5 Medição das espessuras das camadas cementadas

No mesmo microscópio utilizado para verificar a metalografia, foram medidas

todas as espessuras das camadas cementadas, porém algumas medidas foram

realizadas através do medidor de espessura Galileo da Figura 2.17.

2.2.6 Microdureza Vickers

No ensaio de medição de microdureza Vickers, foram realizadas as

medições partindo das extremidades para o centro, ou seja, partindo da superfície e

procedendo a rumo do núcleo da amostra, conforme mostra Figura 2.23.

Figura 2.23 Disposição das Marcações de Dureza Vickers (HV)

Fonte: Lopes (2009, p. 67)

61

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1 Resultados da metalografia por região de cada amostra

As microestruturas encontradas durante o ensaio metalográfico são

mostradas em três regiões importantes e de como ficaram após cementação, nas

Figuras de 3.1 a 3.8, onde elas estão dispostas respectivamente na horizontal, em

superfície, faixa de transição e núcleo.

● Processo Líquido

Figura 3.1 Metalografia da Amostra 01 – Cementação Líquida.




62



Figura 3.4 Metalografia da Amostra 04 – Cementação Líquida


● Processo Gasoso

Figura 3.5 Metalografia da Amostra 01 – Cementação Gasosa.


63







Todas as amostras, tanto como as que sofreram cementação líquida, como

as gososas, obtiveram os resultados esperados de microestrutura, apresentando

todas, martensita de aspecto levemente revenida na superfície; bainita e martensita

de baixo carbono na faixa de transição e ferrita + perlita no núcleo; também

apresentaram satisfatória presença de oxidação intergranular e presença de

64

austenita retida, sendo que a cementação líquida apresentou maior oxidação que a

gasosa.

Nelas consegue-se visualizar, com auxílio da aplicação de Nital 2% e

microscópio óptico, a faixa da camada cementada e as diferentes microestruturas

que se formam a partir dos tratamentos termoquímicos e térmicos.

De acordo com (SILVA, MEI. 2006), o processo de cementação objetiva o

endurecimento superficial, mantendo o núcleo dúctil e tenaz, o que se vê claramente

nas figuras acima, que a superfície possui microestruturas diferentes na superfície

das que tinham inicialmente e o núcleo manteve aproximadamente sua

característica inicial.

3.2 Resultados da espessura da camada cementada

O resultado das espessuras obtidas na camada superficial das amostras,

mostradas na Tabela 3.1 abaixo, pode-se visualizar o crescimento das espessuras

de acordo com o tempo de permanência no forno a uma temperatura de 930ºC,

tanto no processo de cementação líquida, como na cementação gasosa.

Tabela 3.1 Resultados das Espessuras da Camada Cementada.

CEMENTAÇÃO LÍQUIDA

Amostras Tempo de Permanência no Forno a 930ºC Espessuras da Camada Encontrada

1 2 Horas 1,1 mm

2 4 Horas 1,4 mm

3 6 Horas 1,5 mm

4 8 Horas 1,6 mm

CEMENTAÇÃO GASOSA

Amostras Tempo de Permanência no Forno a 930ºC Espessuras da Camada Encontrada

1 4 Horas 2,0 mm

2 8 Horas 2,3 mm

3 12 Horas 2,7 mm

4 16 Horas 4,1 mm Fonte: Araújo, Rosa (autores deste TCC, 2013).

Assim como nos valores obtidos acima, pode-se visualizar facilmente nas

Figuras 2.21 e 2.22 a evolução da camada cementada nas amostras e graficamente,

65

com auxílio do software minitab, pode-se ver na figura 3.9, o crescimento da

espessura obtida em ambos os processos de cementação, salientando que tiveram

uma permanência na mesma temperatura, 930ºC, alterando apenas os tempos

nesta condição.

1614121086420

4,5

4,0

3,5

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

Tempo a 930ºC (Hrs)

Esp

essu

ra d

a C

am

ad

a (

mm

)

1

1

Gasosa

Líquida

Processo

Scatterplot of Espessura da Camada (mm) vs Tempo a 930ºC (Hrs)

Figura 3.9 Espessuras da Camada Cementada versus Tempo de Permanência a 930ºC.


3.3 Resultados da Microdureza

Os resultados das durezas obtidas, dadas em Vickers, são colocados na

Tabela 3.2 abaixo, no qual foram medidas partindo da extremidade superficial para o

sentido do centro, em que a primeira medida foi na superfície da amostra e seguindo

um eixo rumo ao seu núcleo, conforme explicado na Figura 2.23. O valor da dureza

inicial das amostras é de 173,4 HV.

É possível notar claramente que as durezas vão aumentando de acordo com

a sequência das amostras. A dureza superficial é maior que a dureza do seu núcleo,

e entre elas existem uma variável de transição onde decresce sentindo ao núcleo

conforme, mostra o gráfico 3.2, obtido com o auxílio do minitab.

66

Tabela 3.2 Resultados de Microdurezas em Varredura.

CEMENTAÇÃO LÍQUIDA

Medição AMOSTRA 01

AMOSTRA 02

AMOSTRA 03

AMOSTRA 04

por Dureza Dureza Dureza Dureza

Faixa Vickers (Hv) Vickers (Hv) Vickers (Hv) Vickers (Hv)

Superfície 1 523,2 538,2 543,1 621,1

Tran

siçã

o

2 445,3 513,5 528,1 605,3

3 399,7 508,7 524,9 587,5

4 356,6 345,8 351,1 415,5

Núcleo 5 302,8 313,2 319,4 326,7

CEMENTAÇÃO GASOSA

Medição AMOSTRA 01

AMOSTRA 02

AMOSTRA 03

AMOSTRA 04

por Dureza Dureza Dureza Dureza

Faixa Vickers (Hv) Vickers (Hv) Vickers (Hv) Vickers (Hv)

Superfície 1 464,7 564,8 637,2 831,1

Tran

siçã

o

2 441 490,4 605,5 802,3

3 412,1 464,7 508,7 657,5

4 382,8 398,7 452,6 593,4

Núcleo 5 353,8 365,5 369,1 377,8 Fonte: Araújo, Rosa (autores deste TCC, 2013).

4321

900

800

700

600

500

400

300

4321

Gasosa

Amostra

Du

reza

(H

v)

LíquidaNúcleo

Superfície

Transição

Região

Scatterplot of Dureza (Hv) vs Amostra

Panel variable: Processo

Figura 3.9 Resultados de Microdurezas por Região das Amostras e Processos de Cementação.


67

CONCLUSÃO

Com o objetivo de verificar o comportamento e não a comparação das

amostras que foram submetidas aos processos de cementação líquida e gasosa,

este trabalho empregou técnicas de análises metalográficas para mostrar a

microestrutura que se obtém quando aplicado o conceito de difusão atômica para

obtenção de endurecimento superficial, conhecido como a cementação, e

posteriormente aplicado os tratamentos térmicos para melhoria das condições

físicas e mecânicas do material de estudo, aço 18CrNiMo7-6, o qual também

avaliamos as espessuras da camada cementada através de um microscópio óptico

com câmera acoplada para visualização das dimensões da espessura, juntamente

com as metalografias. Também, foi utilizada a técnica de dureza Vickers para avaliar

as microdurezas nas regiões que se formam após os processos termoquímicos e

térmicos.

Acompanhando os resultados obtidos das amostras, podemos dizer que os

mesmos estão de acordo com a literatura utilizada para este estudo, onde se podem

citar as principais conclusões:

1. Observando na metalografia inicial do aço 18CrNiMo7-6, mostrada na figura

1.3, sua microestrutura sofreu alterações devido aos tratamentos impostos em

ambos processos de cementação, principalmente observada nas superfícies das

amostras, onde podemos ver nitidamente a presença de uma estrutura martensítica,

que de acordo com a literatura, proporciona maior resistência ao desgaste de peças

devido ao seu endurecimento superficial, podendo também, ver que o núcleo

manteve uma formação microestrutural bem próxima a da inicial;

2. De acordo com Chiaverini (1986), de fato a espessura ou profundidade da

camada cementada aumenta ao longo do tempo de exposição a uma determinada

temperatura, na qual utilizamos 930ºC, evidenciando nos resultados obtidos das

espessuras mostradas no gráfico 3.1, que mostra a correlação exponencial da

evolução da camada cementada.

3. Por último, as durezas encontradas coincidem logicamente com os resultados

obtidos, observa-se, pois que as durezas tanto das camadas cementadas, como

também, as da faixa de transição e dos núcleos evoluíram constantemente no

decorrer das medições. O objetivo do processo de cementação, conforme diz a

68

literatura, é obter uma camada superficial endurecida para propiciar maior

resistência ao desgaste, mantendo, porém, seu núcleo dúctil e tenaz, portanto,

conclui que as superfícies das amostras obtiveram êxito também nas durezas tanto

quanto os resultados de dureza encontrados na faixa de transição e núcleo das

amostras, como mostram no gráfico 3.2 deste trabalho.

69

REFERÊNCIAS

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2. ed. São Paulo: McGraw-Hill, 1986.

CHIAVERINI, V. Tratamento Térmico das Ligas Metálicas. 1. ed. São Paulo:

ABM, 2003.

CHIAVERINI, V. Aços e Ferros Fundidos. 7. ed. São Paulo: ABM, 2008.

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Paulo: Blücher, 2008.

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LOPES, M. Estudo do Tamanho do Grão Austenítico Aço ABNT 1020 em

Função do Processo McQuaid-Ehn e Evolução da Profundidade da Camada

Cementada. – Trabalho de Conclusão de Curso. CEFETES Vitória 2009.

MILAN, M; MALUF, O.; SPINELLI, D.; BOSE, W. Metais: uma Visão Objetiva – Ligas

Metálicas de Engenharia. 1. ed. São Paulo: Editora, 2008.

NORMA DIN EN 10084. Case Hardening steels – Technical delivery conditions.

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POSTAL, M. Materiais para Construção Mecânica. Minas Gerais: SENAI, 1999.

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SOUZA, Sérgio Augusto de. Ensaios Mecânicos dos Materiais Metálicos. 5. ed.

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70

TELECURSO 2000. Curso Profissionalizante, Ensaios de Materiais. São Paulo:

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tcc cementaÇÃo lÍquida e gasosa no aÇo 18crmo

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