cementaçao e nitretaçao

cementaçao e nitretaçao

CEMENTAÇÃO

O processo de endurecimento superficial de cementação é o mais utilizado atualmente, e tem permanecido praticamente inalterado ao longo do tempo. Este processo é geralmente utilizado na produção de pistas e roletes de rolamento, engrenagens, buchas e juntas homocinéticas. O método consiste essencialmente no aquecimento da peça envolta em um meio rico em carbono, fazendo com que o carbono difunda para o interior aumentando o teor de carbono da camada superficial. Como o processo envolve a difusão do carbono, é necessário que se dê o tempo necessário para que isto ocorra. Tempos crescentes propiciam maiores espessuras das camadas cementadas. Alguns fatores exercem influência tanto na espessura da camada cementada como na profundidade do endurecimento.

A temperatura:

A velocidade de difusão do carbono no aço está estreitamente ligada à temperatura. Quanto maior a temperatura menor o tempo que a peça terá que permanecer no forno. Estes dados referem-se ao aço no estado austenítico, e somente neste estado teremos solubilidade do carbono suficiente para chegar aos percentuais utilizados na camada superficial de peças cementadas. O limite inferior de temperatura para o processo está condicionado à austenitização do aço e o limite superior está condicionado ao crescimento do grão. Como quanto maior o tamanho de grão menor é a tenacidade do material, este efeito se torna indesejado. Para peças menos solicitadas de menor responsabilidades podemos utilizar temperaturas mais altas, mas, para peças mais solicitadas devemos utilizar temperaturas mais baixas, a menos que se faça um tratamento térmico posterior para corrigir o problema.

E o tempo:

A difusão do carbono também é influenciada pelo tempo em que a peça fica na temperatura de tratamento. A profundidade atingida no processo é proporcional à raiz quadrada do tempo. Isto quer dizer que à mediada em que desejarmos profundidades maiores, maior será o tempo de tratamento e a cada vez que dobrarmos a espessura de cementação o tempo é multiplicado por 4 aproximadamente. Como podemos ver quanto maior a profundidade que se queira maior será a consumo de energia e a ocupação do equipamento, fazendo com que este processo se torne antieconômico para camadas de profundidade muito grande. Em geral na prática esta espessura está limitada a 2,5 mm o que já dá um tempo de cementação de aproximadamente 25 h a uma temperatura de 925o C

Processos de cementação:

Cementação em caixa:

È um método de fácil execução, não necessitando de equipamento sofisticado. Neste processo são utilizados como fonte de carbono materiais sólidos à temperatura ambiente, embora todas as reações que ocorrem durante a cementação sejam gasosas. As peças são colocadas em uma caixa metálica e envoltas pela mistura cementante normalmente composta de uma fonte de carbono, carvão vegetal, coque ou osso e um ativador: carbonato de bário ou carbonato de sódio. O ativadorcontribui para aumentar a velocidade de fornecimento do CO. Essa cementação é geralmente levada a uma temperatura entre 850º e 950ºC, com a vantagem de ter um enriquecimento superficial de carbono mais rápido e um gradiente de carbono entre a superfície e o centro mais gradual. A profundidade de penetração do carbono pode atingir 2mm ou mais. O processo pode utilizar vários tipos de fornos, não exige atmosfera protetora, diminui a tendência ao empenamento das peças por elas estarem sustentadas na mistura carbonizante sólida. Porém, não recomendável para camadas cementadas muito finas, não permite um controle rigoroso do teor de carbono, não indicado para têmpera direta, pois a melhor técnica consiste em tirar as caixas do forno e deixá-las resfriar ao ar.

Cementação gasosa:

Este processo permite melhor controle do teor de carbono e da espessura da camada cementada e é mais rápido. Mas as reações são mais complexas exigindo maiores controles. É um processo que se popularizou nas ultimas décadas devido a evolução dos fornos de tratamento e dos métodos de análises químicas. São utilizados gases como fontes de carbono, que podem ser gases naturais ou gases manufaturados, tais como monóxido e carbono e metano. A mistura adequada desses gases irá permitir controlar o potencial de carbono na superfície do aço.

Cementação líquida:

Este processo é rápido e limpo. Permite maiores profundidades de cementação, protege eficientemente as peças contra corrosão e descarbonetação, elimina praticamente o empenamento, possibilita melhor controle do teor de carbono, possibilita a cementação localizada, visto que as peças são mergulhadas suspensas no banho de sal. Contudo, os fornos de banho de sal para cementação líquida exigem exaustão, porque os cianetos a altas temperaturas podem ser venenosos; além disso, o banho de sal deve ser protegido com uma cobertura obtida pela adição de grafita de baixo teor em sílica no banho fundido.

Cementação sob vácuo:

As peças são introduzidas no forno, onde se processa o vácuo. Em seguida, a temperatura é elevada entre 925º a 1040ºC, em que a austenita fica rapidamente saturada de carbono. Introduz-se, um fluxo controlado de hidrocarbonetos gasosos (metano, propano, ou outro gás) em quantidade que depende da carga, da área das superfícies a serem cementadas, do teor de carbono desejado e da profundidade de cementação. O gás, ao entrar em contato com a superfície do aço, desprende vapor de carbono, depositando uma camada muito fina de carbono na superfície do material. Esse carbono é absorvido pelo aço, até o limite de saturação. O fluxo de gás é interrompido, e as bombas de vácuo, que estão operando durante todo o processo, retiram o excesso de gás. Começa a segunda fase do processo, ou o chamado “ciclo de difusão controlada”, atingindo os desejados teores de carbono e de profundidade da camada cementada. As peças assim cementadas são menos suscetíveis à formação de óxidos, microfissuras, descarbonetação e outros defeitos.

Tratamento térmico da cementação

A têmpera é o tratamento térmico que se realiza nos aços cementados. A têmpera pode ser realizada de acordo com as seguintes técnicas:

Têmpera direta: É realizada imediatamente após a cementação; recomenda-se para aços onde o tempo de permanência à temperatura de cementação é geralmente mais curto, não ocorrendo excessivo crescimento do grão do material.

Têmpera simples: Após a cementaçao o aço é esfriado ao ar. Em seguida é aquecido e temperado. A temperatura de reaquecimento depende da granulação do aço: quando é mais fina, austenitiza-se somente a camada cementada, facilitando a dissolução do carbono e atinge o núcleo também; pode-se aquecer numa temperatura intermediária, que produz um núcleo mais resistente e tenaz.

Têmpera dupla: Consiste em duas têmperas, na primeira aquece-se a uma temperatura que atinja o núcleo e na segunda, aquece-se a temperatura que se atinja a camada cementada. Uma das variedades é realizar uma logo após a cementação.   

NITRETAÇÃO

É um processo que a exemplo da cementação também altera a composição da camada superficial do aço. Ao contrário da cementação, a camada nitretada não necessita ser temperada, pois os nitretos que se formam já possuem dureza elevada. Com isso não há empenamento. Além disso, a nitretação é feita na faixa de temperatura entre 500° e 600° C, diminuindo a possibilidade de empenamentos por transformação de fase.  Entre as vantagens da nitretação podemos citar as seguintes: alta dureza com alta resistência ao desgaste; alta resistência à fadiga e baixa sensibilidade ao entalhe; melhor resistência à corrosão e alta estabilidade dimensional  Em princípio qualquer aço pode ser cementado, entretanto, a composição poderá fazer variar a dureza final da camada nitretada, como é o caso de aços que possuem alumínio, cromo, vanádio e molibdênio que apresentam uma dureza final maior. A camada nitretada tem menor espessura do que a cementada, raramente ultrapassando 0,8 mm, caso contrário os tempos seriam muito grandes o que torna o método antieconômico. Há dois processos de nitretação:

Nitretação a gás:

Neste processo é utilizada amônia que é injetada no forno aquecido geralmente a 510° C.      Nesta temperatura a amônia se dissocia de acordo com a seguinte equação: 2NH3  2N + 3H2 Esta reação libera nitrogênio atômico que difunde para o aço,os tempos de tratamento variam entre 12 e 120 horas. Um dos inconvenientes além do tempo e em função da sua própria demora, é o crescimento que o material sofre enquanto submetido ao tratamento. Esse fato deve ser levado em conta na usinagem à que são submetidas as peças antes da nitretação. Na nitretação a gás, a espessura nitretada raramente ultrapassa a 0,8mm e a dureza superficial obtida é da ordem de 1000 a 1100 vickers.

Nitretação líquida:

 É um banho semelhante ao utilizado na cementação líquida. Neste banho teremos, cianeto de sódio ou potássio, carbonato de sódio ou potássio e cloreto de potássio ou de sódio. Este banho contém entre 30 e 40% de cianeto. Normalmente a temperatura utilizada situa-se entre 550° e 570° C. Nesta temperatura não ocorre a reação de cementação e, portanto teremos apenas a adição de nitrogênio ao aço. Os tempos são curtos, entre uma e 4 horas. As camadas são geralmente menos espessas que na nitretação a gás. As propriedades obtidas são semelhantes às obtidas na nitretação a gás. Neste conseguem-se melhores propriedades de fadiga. Finalmente enquanto na nitretação a gás os aços devem possuir certos elementos de liga (em particular alumínio e cromo), qualquer tipo de aço, simplesmente ao carbono ou ligado, podem ser nitretados em banho de sal.

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