Tratamentos termoquímicos ? carbonitretação e cianetação

Tratamentos termoquímicos ? carbonitretação e cianetação

  1. INTRODUÇÃO

Os processos de tratamento superficial visam aumentar a dureza superficial de componentes metálicos e, assim, melhorar as propriedades mecânicas superficiais destes componentes. Atualmente existem inúmeros processos com essa finalidade. Pode-se citar a têmpera superficial, a cementação, a nitretação, a carbonitretação, a nitrocementação, a cianetação, a boretação e a implantação iônica.

Neste tratalho focaremos os tratamentos termoquímicos que são processos que visam a adição, por difusão, de carbono, nitrogênio ou boro na superfície do aço. Como a difusão desses elementos nos aços só é significativa em altas temperaturas (500 a 1000ºC), com o objetivo principal é aumentar a dureza e a resistência ao desgaste da superfície, ao mesmo tempo em que o núcleo do material se mantém dútil. Dos tratamentos mencionados acima iremos destacar a carbonitretação e a cianetação.

Analisando a metalurgia do material notamos uma formação da camada se dá pelo fenômeno de difusão atômica, na qual os elementos formadores da camada (Carbono (C), Nitrogênio (N), Boro (B)) penetram e se deslocam intersticialmente no interior do material.

A profundidade da camada obtida será sempre em função da temperatura e do tempo de tratamento.

Para os tratamentos no qual tem-se o carbono ou o boro, como formado de camada ( cementação, carbonitretação e boretação) empregam-se temperaturas acima do ponto de austenitização do material (750°C a 650°C) em quanto que para os tratamentos cujo elemento principal é o nitrogênio (nitretação, oxinitrocarbonetação) empregam-se temperaturas inferiores ao ponto de austenitização (500°C a 600°C).

  1. Tratamentos térmicos e termoquímicos

Quando é preciso modificar as propriedades do material, para atender exigências de utilização e usinagem, deve-se submetê-los a tratamentos, que podem ser térmicos ou termoquímicos.

O tratamento térmico é a aplicação combinada de aquecimento e resfriamento, em determinado período de tempo, em condições controladas, com

a finalidade de dar ao material propriedades especiais. Segundo a aplicação , classificam-se em: Normalização, Recozimento, Têmpera e Revenido.

O tratamento termoquímico provoca modificação parcial da composição química, através da absorção de alguns elementos como o carbono, nitrogênio e cianetos, normalmente acompanhada de tratamento térmico.O objetivo principal é aumentar a dureza e a resistência ao desgaste da superfície, ao mesmo tempo em que o núcleo do material se mantém dúctil.

Os Processos Termoquímicos são:

1. Cementação;2. Nitretação;3. Cianetação;4. Carbonitretação;5. Boretação.

Como já foi dito na introdução nosso trabalho vai destacar a Carbonitretação e a Cianetação.

2.1 Carbonitretação

Conforme Chiaverini, a carbonitretação ou carbonitretação a gás consiste no aquecimento do aço a uma temperatura elevada, geralmente acima da temperatura de transformação, em uma atmosfera gasosa que pode fornecer carbono e nitrogênio, simultaneamente, os quais são absorvidos pela superfície do metal. Praticamente, a carbonitretação gasosa é um processo de cementação gasosa modificado.

  • Os constituintes da atmosfera carbonitretante são:

1º Gás endotérmico, produzido pela decomposição (em gerador endotérmico) de gás natural ou outro hidrocarboneto, e que é essencialmente uma mistura de nitrogênio, hidrogênio e monóxido de carbono, com porções de metano, oxigênio, vapor de água e CO2 ;

2º Gás natural, propano ou butano;

3º Amônia anidra (99% de pureza, no mínimo).

O primeiro é suprido no forno em volume suficiente para produzir uma pressão positiva na câmara de aquecimento, de modo a impedir a penetração de ar. Outra função é diluir os gases mais ativos (hidrocarbonetos e amônia) de modo a facilitar o controle do processo.

O segundo tem a função principal suprir o carbono necessário para carbonetar a superfície do aço.

Finalmente, o terceiro, por dissociação, forma Nitrogênio nascente na superfície do aço, promovendo a sua nitretação.

A proporção desses gases depende do tipo de forno usado, variando em linhas gerais, do seguinte modo:

  • Gás de gerador: 77 a 89%

  • Gás natural: 9 a 15%

  • Amônia: 2 a 8%

  • Objetivo

O principal objetivo da carbonitretação é conferir ao aço uma camada dura e resistente ao desgaste. A espessura desta camada pode variar de 0,07 - 0,7 mm.

  • Vantagem

Uma vantagem importante é que uma camada carbonitretada possui uma melhor temperabilidade do que uma camada cementada, de modo que, fazendo-se uma carbonitretação e uma têmpera subseqüente, pode-se obter uma camada dura e resistente ao atrito, de custo mais baixo, dentro da espessura solicitada, usando-se aço ao carbono ou aço baixa liga. A resistência ao amolecimento de uma camada carbonitretada é bem maior do que a da cementada.

A carbonitretação é processada, a efeito de comparação, em temperaturas mais baixas que as utilizadas na cementação a gás, ou seja, entre 705º e 900ºC e durante um tempo mais curto (entre 1 h a 3 h), de modo a obter-se uma espessura endurecida menor.

Os aços mais comumente carbonitretados são aqueles onde há dificuldade para se obter dureza via cementação e têmpera, incluem-se os tipos: 1000, 1100, 1200, 1300, 4000, 4600, 5100, 6100, 8600 e 8700, com teores de carbono até 25%. Entretanto, costuma-se também carbonitretar peças de aço-carbono ou liga ou teor de carbono médio, obtendo-se assim uma camada fina de maior dureza e maior resistência ao desgaste em vista a do que seria produzida apenas pela têmpera. OBS.: Aços sinterizados também podem ser carbonitretados.

  • Desvantagem

As temperaturas mais baixas, como 705ºC, apresentam risco de explosão e geram camadas superficiais ricas em nitrogênio (frágeis), com núcleo de baixa dureza, o que torna o processo nestas temperaturas inconveniente para a maior parte das aplicações.

  • Aplicações

As aplicações da carbonitretação são mais limitadas que as de cementação sobretudo devido as limitações da profundidade superficial endurecida. De outro lado, a resistência de uma superfície carbonitretada ao amolecimento durante o revenido é muito superior à de uma superfície cementada.

Uma aplicação moderna da carbonitretação reside no endurecimento superficial de peças sinterizadas de ferro de elevada densidade (7,2 g/cm3).

2.2 Cianetação

Consiste em aquecer o aço em temperaturas acima de A1, em um banho de sal cianeto fundido, de modo que a superfície do aço absorva carbono e nitrogênio. Após a têmpera em óleo ou água o aço desenvolve uma camada dura, resistente ao desgaste. Os banhos de sal contém cianeto de sódio (30 a 97%), carbonato de sódio (2 a 40%) e cloreto de sódio (0 a 30%). Estes dois últimos são mais inertes, adicionados para controlar o ponto de fusão da mistura e sua fluidez. Devido a maior eficiência e baixo custo, se usa o cianeto de sódio, de preferência ao de potássio,as temperaturas utilizadas variam entre 760 a 870ºC e os equipamentos são os mesmos empregados na cementação líquida. O processo é aplicado usualmente aos aços carbono e baixa liga. Uma vantagem da cianetação é a menor distorção nas peças produzidas.

2.2.1 Profundidade da camada cianetada

A profundidade de penetração do carbono e do nitrogênio e, por conseqüência, a dureza variam com a temperatura e com o tempo.

  • Aplicação

A cianetação é aplicada mais comumente em aços-carbono de baixo teor de carbono, quando se deseja rapidamente uma camada com dureza e resistência ao desgaste satisfatórias.

2.2.2 Reações químicas

Admite-se que ocorram as seguintes reações:

  • Passagem do cianeto de sódio a cianeto de sódio na presença de oxigênio do ar.

2 NaCN + O2 > 2 NaCNO

  • Decomposição do cianeto de sódio

4 Na CNO > Na2CO2 + 2 NaCN + CO + 2N

  • O Nitrogênio formado combina-se diretamente com o ferro;

  • O CO, em contato com o ferro, passa provavelmente a CO2 e a carbono ativo.

2CO > CO2 + C

O qual também é absorvido pelo metal, em menor quantidade, porém, que na cementação líquida , devido a interferência do Nitrogênio.

  • Reação do cianeto de sódio com o CO2, originando-se mais cianeto

NaCN + CO2 > NaCNO + CO

A camada cianetada contém duas zonas distintas:

  • Uma mais externa = martensítica

  • Mais interna = baianítica, apresentando teor mais baixo de carbono

Desenho esquemático de um tipo de forno de banho de sal

A velocidade segundo a qual se forma cianeto que a seguir se decompõe, deixando livre Nitrogênio e Carbono na superfície do aço, determina a atividade de endurecimento superficial do banho.

A faixa de temperatura de operação dos banhos de cianetação varia de 760º a 870º. As temperaturas mais baixas diminuem as probabilidades de empenamento durante a têmpera subseqüente; as temperaturas mais elevadas contribuem para maior velocidade de penetração, além, de produzir um núcleo completamente endurecido após a têmpera. O tempo de imersão no banho varia de 30 minutos à uma hora, a espessura da camada cianetada varia geralmente de 0,10 a 0,30 mm.

  • Conclusão

Como conclusão, pode-se dizer que a carbonitretação de aços de menor custo resulta em propriedades equivalentes às obtidas pela cementação a gás de aços-liga.

Finalizando, um estudo de DAVIES e SMITH chegou, entre outras, às seguintes conclusões em relação ao processo de carbonitretação:

A) O nível de adição de amônia deve ser mantido relativamente baixo e em torno de 3% a 850 ºC, 6% a 925 ºC e 10% a 950 ºC e para impedir a formação de porosidade abaixo da superfície;

B) Essa porosidade sub-superficial é mais suscetível de aparecer nos aços acalmados com silício ou nos efervescentes, de modo que tais aços exigem maior controle da quantidade de amônia adicionada;

C) Nos aços acalmados com alumínio, encruamento prévio agrava a formação de porosidade sub-superficial;

D) O nitrogênio que é incorporado na superfície do aço durante o processo de carbonitretação reduz a quantidade de carbono que é necessária para produzir-se a máxima dureza superficial;

E) O nitrogênio adicionado durante o processo aumenta substancialmente a endurecibilidade da camada carbonitretada em aços doces;

F) Sob o ponto de vista de endurecibilidade, a carbonitretação aparentemente oferece maiores vantagens que a cementação, no endurecimento superficial de secções superiores a 12,5 mm, a temperatura de 925 ºC, o que não seria válido para secções menores.

Já a camada cianetada compõe-se de duas zonas distintas: uma, mais externa, martensítica; outra, mais interna, bainítica, apresentando teor mais baixo de carbono.

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