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Tratamentos Termoquímicos [23]

Projeto mecânico resistência ao desgaste+ tenacidade+ tenacidade

endurecimentosuperficial

Têmperafi i l

superficial

superficial

TratamentosVisualização das tensões no contato mecânico

t ilí d i d d t t

Tratamentostermoquímicos

entre engrenagens cilíndricas de dentes retos(efeito fotoelástico).

formação de uma

1>

formação de umasuperfície dura comnúcleo tenaz

Tratamentos Termoquímicos

Tratamentos termoquímicos: promover o endurecimento fi i l t é d i i t d i t ti i i (C N)superficial através do enriquecimento de intersticiais (C,N) por

difusão atômica, seguida de têmpera normalmente em óleo.

Processos industriais:

Cementação (C)sólida

Nitretação (N)líquida

Carbonitretação (C,N)gasosa

Ci t ã (C N)Cianetação (C,N)

2>


Fluxo de átomos quantidade de átomos por unidadeFluxo de átomos quantidade de átomos por unidade(J) de tempo por unidade de área.

Primeira Lei de Fick:- cálculo da difusão estacionária

(fluxo constante)

⎤⎡áreaunitária

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

⋅⋅−=

smátomos

dxdcDJ 2

unitária

D – coeficiente de difusão

⎦⎣ smdx

D = f(freqüência e deslocamento)[D] = [m2.s-1]

3>


Segunda Lei de Fick considera as variações de fluxo /Segunda Lei de Fick considera as variações de fluxo /concentração ao longo do tempo.

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

⋅∂∂

=∂∂

xcD

xtc

⎠⎝ ∂∂∂ xxt

fl Jfluxo JSolução:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅=

tD2xerfccc o

⎠⎝ ⋅⋅ tD2o

sendo co a concentração inicial, erfc a função erro complemen-

4>tar, D o coeficiente de difusão e t o tempo.


Variação do coeficiente de difusão D no ferro:

1E-11

1E-10 C Ti Fes]

Feγ

1E-13

1E-12 C Ti FeD

[m2 /s

Feα

1E-15

1E-14

difu

são

D

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⋅−

⋅=TR

QexpDD o

1E-18

1E-17

1E-16

nte

de d

austenitaFe

1E-20

1E-19

1E-18

oefic

ien Feγ

ferrita

500 600 700 800 900 1000 1100 1200 13001400

1E-21Co ferrita

Feα

Temperatura [oC]5>


Exemplo da difusão de carbono através da superfície:

concentraçãode

carbonocarbono

superfície centro

6>

superfície centro

austenita


Parâmetros do processo de cementação: Aço com baixo teor de carbono (C < 0,25%);Difusão de carbono na austenita;Di ibilid d d b i d t ãDisponibilidade de carbono no meio de cementação;temperatura entre 850 a 950°C para ↓ CGγ

Processos industriais para cementação: espessuras normalmente inferiores a 1 5mmespessuras normalmente inferiores a 1,5mmdurezas superficiais 50 – 65 HRCprocessos demorados (4 10 horas)processos demorados (4 – 10 horas)

meio gasoso (metano)meio gasoso (metano)meio líquido (banho de sal fundido, a base de cloretos,

carbonatos e cianeto de sódio)

7>

carbonatos e cianeto de sódio)meio sólido (carvão moído + catalisador “em caixa”)


Cementação em caixa:

22 COOC →+ O carbono existente no carvãoreage com o oxigênio do arreage com o oxigênio do ar, formando o dióxido de carbono. O carbonato de bário acelera o fornecimento de monóxido de carbono, induzindo a formaçãode cementita na superfície da

CO2CCO →+

de cementita na superfície dapeça cementada.

CO2CCO2 →+

3 CO2BaOCBaCO +⇔+

COCFeCO2Fe3 +→+32 BaCOCOBaO ⇔+

B CO 5 20%8>

23 COCFeCO2Fe3 +→+ BaCO3 – 5 a 20%


Cementação em aços:P t d i d 0 25%C ( í i ) óPretende-se criar uma camada com 0,25%C (no mínimo) apóscementação a 1000°C durante 1 hora. Supondo que a disponi-bilidade de carbono seja 1 5% na superfície temos:bilidade de carbono seja 1,5% na superfície temos:

17,05125,0

cco ≈= ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=

tD2xerf1

cc cosendo

5,1c ⎦⎣ ⎠⎝ ⋅ tD2c

97,0tD2

x83,0tD2

xerf cc ≈⋅

→≈⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⋅Usando tabelas

tD2tD2 ⋅⎠⎝ ⋅

Considerando os dados de difusividade do carbono temos107135 3 ⎞⎛

s/m107,2)2731000(314,8

107,135xpe1010,0D 2113

4 −−γ ⋅≈⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

+⋅⋅−

⋅⋅=

mm60x)3600()1072(2970x 11 ≈→⋅⋅⋅⋅= −

Logo, a espessura da camada cementada será estimada em

9>

mm6,0x)3600()107,2(297,0x cc ≈→=


Processamento e resultados:

Controle de espessura dacamada formada durantetratamento termoquímico

Lote de peças sendo preparadaspara tratamento termoquímico

10>

tratamento termoquímico

Fonte: http://www.citysteelht.com/surface_treatments.html


Camada cementada:

Micrografia de camada cementada, conseguida após 4 horas a 1000°C,g p ,

mostrando visível gradiente de concentração pela presença da

tit At it lcementita. Ataque: nital..

30 mm

Macrografia de uma engrenagemmostrando camada cementada commostrando camada cementada comtrincas resultantes de tratamento.

Ataque: reativo de iodo.

superfície 0 4 mm

11>

superfície 0,4 mm


Efeito da temperatura e tempo na cementação:

900°C925°C950°C

875°C

900°C

850°C

825°C

12>


Dureza da camada cementada:

Aços:

1020 (C)

4620(Ni, Mo)( , )

8620(Ni, Cr, Mo)

13>


Nitretação: enriquecimento da superfície com nitrogênio, tili d i lí id it dutilizando meios gasosos ou líquidos nitrogenados

que contribuem para a formação de Fe2N.

Objetivos:obtenção de elevada dureza superficial;obtenção de elevada dureza superficial;aumento da resistência ao desgaste e à fadiga;melhoria da resistência à corrosão;melhoria da resistência à corrosão;

Processamento:Processamento:temperatura de tratamento entre 500 a 575°C;meio gasoso: camada com 0 65mm após 70 horas;meio gasoso: camada com 0,65mm após 70 horas;meio líquido: resultado anterior em 1 a 3 horas;

14>


Nitretação iônica (plasma nitriding):

potência 1,5kV; 2Aatmosfera 80% N2/20% H2 com pressão 250 Patemperatura 400-480ºC durante 3-4 horas

15>

temperatura 400-480 C durante 3-4 horasdureza 1000-1200HV em camadas até 30μm de espessura

Fonte: http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S1517-70762009000200008&script=sci_arttext


Nitretação iônica (plasma nitriding):

Peça com 2m comprimentoe diâmetro 260mm sendo

Lote de peças sendo submetidoa nitretação a plasma

e diâmetro 260mm sendonitretada a plasma Camada nitretada

16>Fonte: http://www.jjcastings.com/plasma.htm

http://www.sfsa.org/tutorials/leverarm/Valve_23.htm


Nitretação em meio gasoso:

23 H3N2NH2 +→

Nitretação em meio líquido:

sais de sódio: Na(CN); Na2CO3; Na(CNO);

17>sais de potássio: K(CN); K2CO3; K(CNO); KCl;


Camada nitretada:

Micrografia tirada de açoMicrografia tirada de açobaixo carbono mostrandoa camada nitretada (branca)( )uniforme na superfície.

Gráfico comparativo entreos diversos processos denitretação de aços

18>

nitretação de aços.


Cianetação: enriquecimento da superfície com carbono eit ê i tili d b h d i t f didnitrogênio, utilizando um banho de cianeto fundido ou

uma atmosfera gasosa adequada (amônia/metano).

Objetivos:bt ã d l d d fi i lobtenção de elevada dureza superficial;

aumento da resistência ao desgaste e à fadiga;

Processamento:Processamento:aços com baixo carbono ou baixa liga;temperatura de tratamento entre 750 a 870°C;temperatura de tratamento entre 750 a 870 C;meio líquido: camada com 0,1 a 0,3mm após 1hora;cuidados operacionais (os cianetos provocam asfixia).

19>

cuidados operacionais (os cianetos provocam asfixia).


Bibliografia:

Chiaverini, V. Aços e Ferros Fundidos. ABM, São Paulo, 5a ed 1987 pp 117 1425a. ed., 1987, pp. 117-142.

Colpaert, H. Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns Ed Edgard Blucher São Paulo 1974 pp 289 298Comuns. Ed. Edgard Blucher, São Paulo, 1974, pp. 289-298.

Chiaverini, V. Tratamentos Térmicos das Ligas Ferrosas.Assoc Bras Metais São Paulo 2a ed 1987 pp 99-131Assoc. Bras. Metais, São Paulo, 2a. ed., 1987, pp. 99-131.

American Society for Metals. ASM Handbook, Vol. 4: HeatTreating 10th ed 1991Treating. 10th ed., 1991.

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