Tratamentos Térmicos

Tratamentos Térmicos

TRATAMENTOS SUPERFICIAIS

TRATAMENTOS SUPERFICIAIS

  • OBJETIVO

  • Endurecimento superficial do aço

  • visando

  • aumentar a resistência ao desgaste e à abrasão da superfície

METODOS DE ENDURECIMENTO SUPERFICIAL

      • Encruamento mecânico da superfície
  • A dureza e a resistência dependem da intensidade do encruamento

      • Tratamento químico da superfície
  • (cromagem eletrolítica dura, siliconização)

      • Tratamentos termoquímicos da superfície
  • (cementação, Nitretação, Cianetação,...)

  • Revestimento de ferramentas

      • Têmpera superfícial

1- TÊMPERA SUPERFICIAL

  • A têmpera é realizada somente na superfície

  • A superfície adquire propriedades e características da estrutura martensítica

  • ** A casca endurecida pode ter até 10 mm, dependendo do processo.

VANTAGENS DA TÊMPERA SUPERFICIAL

      • Aplica-se à peças de grandes dimensões (engrenagens de 2-3 m)
      • Permite o endurecimento em áreas localizadas
      • Pode ser usado quando a geometria da peça ocasionar grandes deformações
      • Permite obter a combinação de altas resistências ao desgaste e dureza na superfície, com ductilidade e tenacidade no núcleo da peça
      • Não exige fornos de aquecimento
      • É rápida (pode ser aplicada na oficina)
      • Não produz grandes oxidações e descarbonetações no aço.

PROCESSOS USUAIS DE TÊMPERA SUPERFICIAL

      • Por Chama
      • Por indução
      • Por laser
      • Por feixe eletrônico

1.1- TÊMPERA POR CHAMA

  • A superfície é aquecida, acima da temperatura crítica (850-950 C) por meio de uma chama de oxi-acetilenica.

      • resfriamento é feito por meio de um jato de água
  • Depois faz-se um revenido para o alívio de tensões

Equipamentos

  • Pode ser feita manualmente

  • ou com dispositivos especiais,

  • com controle ótico de temperatura

TÊMPERA SUPERFICIAL Uso da chama para tratamento de engrenagem

A profundidade da camada temperada é controlada pela:

      • Intensidade da chama aplicada
      • distância da chama aplicada
      • tempo de duração da chama aplicada

para método progressivo giratório

  • Consumo de Oxigênio :

      • Co= 0.7 (p)1/2 [l/cm2]
  • p= profundidade endurecida em mm

  • Consumo de acetileno:

      • Ca= 0.45 p1/2 [l/cm2]
  • Tempo de aquecimento

      • 7 . p2 [s]
  • Velocidade de movimento da torcha

      • 72/ .p2 [cm/minuto]

1.2- TÊMPERA POR INDUÇÃO

  • O calor é gerado na peça por indução eletromagnética, utilizando-se bobinas de indução, nas quais flui uma corrente elétrica de alta freqüência.

TÊMPERA POR INDUÇÃO Vantagens:

      • Pode-se determinar com precisão a profundidade da camada temperada.
      • O aquecimento é rápido
      • As bobinas podem ser facilmente confeccionadas e adaptadas à forma da peça
      • Não produz o superaquecimento da peça  permitindo a obtenção de uma estrutura martensítica acidular fina
      • Geralmente, possibilita um maior aumento da dureza e da resistência ao desgaste
      • A resistência a fadiga é também superior
      • Não tem problema de descarbonetação.

TÊMPERA POR INDUÇÃO

  • A quantidade de calor gerada é dada pela lei de Joule:

  • Q= 0,239.i2 . R. t

  • i é a corrente em amperes

  • R a resistência do condutor em ohms

  • t o tempo que circula a corrente em segundos

A profundidade da camada temperada é controlada pela:

      • Forma da bobina
      • Distância entre a bobina e a peça
      • Freqüência elétrica (500-2.000.000 ciclos/s)
      • Tempo de aquecimento

BOBINAS PARA TÊMPERA POR INDUÇÃO

A profundidade da camada temperada é dada por:

  • p= 5030 . (/.f)1/2

  • p é a profundidade da camada em cm

  •  a resistividade do material em ohm.cm

  •  a permeabilidade magnética do material em Gauss/Oersted

  • f a freqüência da corrente em Hz

TÊMPERA POR LASER

  • APLICAÇÃO

  • Usado na têmpera de peças de geometria variadas

  • OBSERVAÇÃO

  • As peças são cobertas com fosfato de zinco ou magnésio para aumentar a absortividade

TÊMPERA POR LASER

  • VARIÁVEIS QUE CONTROLAM A PROFUNDIDADE DA CAMADA

  • Diâmetro do raio

  • Intensidade

  • Velocidade de varredura (100 polegadas/min.)

TÊMPERA POR LASER

  • VANTAGENS

  • O processo opera a altas velocidades

  • A distorção provocada é pequena

  • Pode ser usado para áreas selecionadas

  • Softwares e automação podem ser usados para controlar os parâmetros

TÊMPERA POR FEIXE ELETRÔNICO

  • A fonte de calor é um feixe de elétrons de alta energia

  • É fácil de automatizar

  • O equipamento é caro

  • Opera em alto vácuo

2- TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS DA SUPERFÍCIE

  • O endurecimento superficial é causado pela modificação parcial da composição química

      • é alcançada através:
  • Aplicação de calor e de um meio químico

2- TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS DA SUPERFÍCIE

  • CEMENTAÇÃO

  • NITRETAÇÃO

  • CIANETAÇÃO

  • CARBO-NITRETAÇÃO

  • BORETAÇÃO

2.1- CEMENTAÇÃO

  • É o mais empregado e o mais antigo

  • Consiste na introdução de átomos de carbono na superfície da peça (acima da temperatura crítica -850-950 C- para haver absorção)

2.1- CEMENTAÇÃO Considerações Gerais

      •  A cementação em si não endurece o aço, apenas favorece o endurecimento
  • O processo deve ser seguido de têmpera e revenido para atingir máxima dureza e alta resistência ao desgaste.

  • É aplicável a aços de baixo carbono

  • O conteúdo de carbono na superfície fica acima do eutetóide (0,8-1,0 %)

  • O teor de Carbono decresce a medida que se penetra em profundidade na peça (é importante que esse decréscimo seja gradual).

A profundidade da cementação depende:

      • Do tempo
      • Da Temperatura
      • Da concentração de Carbono inicial no aço
  • (Quanto menor o teor de carbono mais fácil a carbonetação)

      • Natureza do gás de carbonetação ou do agente carbonetante
      • Velocidade do fluxo do gás (se for o caso)

A cementação pode ser realizada por quatro processos:

      • Por via gasosa
      • Por via líquida
      • Por via sólida
      • Por plasma

A- CEMENTAÇÃO SÓLIDA OU EM CAIXA

  • Neste processo, as peças de aço são colocadas em caixas metálicas (aço-liga resistente ao calor), ficando separadas umas das outras pelo carborizante.

AGENTES SÓLIDOS CARBONETANTES

  • Ex: carvão vegetal, mais ativadores (Carbonato de Bário, ou Sódio, ou Potássio) e óleo de linhaça (5-10%) ou óleo comum como aglomerante.

  • Também, pode-se adicionar 20% de coque para aumentar a velocidade de transferência de calor.

CEMENTAÇÃO SÓLIDA OU EM CAIXA CONSIDERAÇÕES GERAIS

      • A CEMENTAÇÃO SÓLIDA É MUITO RUDIMENTAR E A CAMADA CEMENTADA É MUITO IRREGULAR. Portanto, não é recomendada para a obtenção de camadas muito finas.
      • A cementação sólida é realizada a temperaturas entre 850-950 C

MECANISMO DA CEMENTAÇÃO SÓLIDA

      • 1) C + O2  CO2 (850-950 C) O Carbono combina com o oxigênio do ar
      • 2) CO2 + C  2CO O CO2 reage com o carvão incandecente
      • 3) 3Fe + 2CO  Fe3C + CO2
      • 4) O CO2 reage com o carvão incandecente e assim vai

ATIVADORES

  •  A presença do ativador contribui para aumentar a velocidade de formação do CO

      • 1) BaCO3  BaO + CO2
      • 2) CO2 + C  2 CO
      • 2) 3Fe + 2CO  Fe3C + CO2

B- CEMENTAÇÃO LÍQUIDA

  • O meio carborizante é composto de sais fundidos

  • NaCN, Ba(CN)2, KCN, ... Como ativador: BaCl2, MnO2, NaF e outros. Também faz parte do banho a grafita de baixo teor de Silício para a cobertura do banho

      • A cementação líquida é realizada a temperaturas entre 840-950 C
  •  A profundidade da camada cementada é controlada pela composição do banho

B- CEMENTAÇÃO LÍQUIDA Vantagens do processo:

      • Melhora o controle da camada cementada
      • a camada cementada é mais homogênea
      • facilita a operação
      • aumenta a velocidade do processo
      • possibilita operações contínuas em produção seriada
      • Dá proteção quanto à oxidação e descarbonetação

B- CEMENTAÇÃO LÍQUIDA Cuidados:

      • não deixar faltar cobertura de grafite no banho
      • a exaustão dos fornos deve ser permanente, pois os gases desprendidos são tóxicos, os sais são venenosos e em contato com áciods desprendem ácido cianídrico
      • as peças devem ser introduzidas no banho secas e limpas.

C- CEMENTAÇÃO GASOSA

  • O meio carborizante é composto de uma mistura de GASES:

  • [CO2, H2, N2 (diluidor), (metano) CH4, (etano)C2H6, (propano)C3H8,..]

C- CEMENTAÇÃO GASOSA Vantagens do processo:

      • a mistura carborizante permanece estável durante toda a cementação
      • possibilita um melhor controle do teor de carbono e consequentemente da camada cementada
      • facilita a cementação de peças delicadas
      • evita a oxidação
      • permite a têmpera direta após a cementação (sem contato com o ar e sem reaquecimento)
      • o processo é limpo (não precisa de limpeza posterior)
      • a penetração do Carbono é rápida
      • as deformações por tensões são menores

C- CEMENTAÇÃO GASOSA Desvantagens do processo:

      • A temperatura e a mistura caborizante necessitam rígido controle durante o processo
      • as intalações são complexas e dispendiosas
      • as reações são complexas.

D- CEMENTAÇÃO POR PLASMA

  • O plasma é criado por ionização do gás (metano) a baixa pressão. O carbono iônico é transferido para a superfície da peça.

D- CEMENTAÇÃO POR PLASMA Vantagens do processo:

      • Tempos de processo menores (~30 % do à gás)
      • A peça não sofre oxidação, já que o processo é feito sob vácuo
      • Fácil automatização
      • Produz peças de alta qualidade.

TRATAMENTOs TÉRMICOS UTILIZADOS APÓS A CEMENTAÇÃO

  • O TT para endurecimento deve levar em conta:o aço e as especificações da peça.

  • Não esquecer que a peça tem duas composições distintas: um núcleo com baixo teor de Carbono (<0,8) e uma superfície com teor de carbono acima do eutetóide (>0,8).

  • Portanto, tem 2 temperaturas críticas: A1 (camada cementada) e A3 (núcleo da peça).

A- TÊMPERA DIRETA SIMPLES

  • A PEÇA É TEMPERADA AO AR, DIRETAMENTE APARTIR DA TEMPERATURA DE CEMENTAÇÃO (850-950C).

  • Observações:

      • pode reter austenita na camada cementada facilitando a fragilização da peça e comprometendo a dureza
      • o núcleo fica com têmpera total (DURO)
      • aplica-se à aços de granulação fina e em peças de pouca responsabilidade ao esforço

B- TÊMPERA DIRETA DUPLA

  • É uma segunda têmpera, realizada depois da direta. Parte de uma temperatura logo acima da linha A1.

  • Finalidade:

  • - reduz a retenção da austenita e diminui a dureza do núcleo

  • - elimina a fragilização da peça

  • - produz granulação + fina

C-D-E- TÊMPERA INDIRETA SIMPLES

  • Consiste no resfriamento da peça ao ar calmo. A seguir a peça é aquecida e resfriada apartir de um patamar pré-estabelecido.

  • “C” - a peça é aquecida acima da linha A1 (camada cementada).

  • ** O núcleo continua com granulação grosseira e com mínima dureza. Aplica-se à aços de granulação fina.

  • “D” - A peça é aquecida entre as linhas A1 e A3 (do núcleo).

  • ** Confere uma têmpera e um refino no núcleo, tornando-o mais tenaz e resistente.

  • “E” - A peça é aquecida acima das linhas A3 (do núcleo) e Acm da superfície

  • ** A têmpera e refino do grão no núcleo são totais.

F - TÊMPERA INDIRETA DUPLA

  • Consiste no resfriamento da peça ao ar calmo. A seguir a peça é reaquecida acima da linhas A3 e Acm e retemperadas.

  • É indicado para aços de granulação grosseira. A camada superficial fica dura e o núcleo mole. Há um refino do grão e diminui a austenita residual.

LEIS DE FICK PARA DIFUSÃO

  • A SEGUNDA LEI DE FICK PARA DIFUSÃO PODE SER APLICADA PARA TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS

2.2- NITRETAÇÃO

  • O endurecimento superficial é obtido pela ação do Nitrogênio (difusão).

  • Temperatura de nitretação:

  • 500-600C

  • As peças são resfriadas ao ar ou em salmora

O processo de nitretação permite:

      • Obter alta dureza superficial
      • Obter elevada resistência ao desgaste
      • Melhorar a resistência à fadiga, à corrosão e ao calor
      • Propicia um menor empenamento das peças, já que é realizado a temperaturas mais baixas
      • Não necessita de tratamento térmico posterior

CONSIDERAÇÕES GERAIS

  • O tratamento térmico (como têmpera e revenido) se desejado deve ser realizado antes da nitretação

  • A nitretação promove um aumento nas dimensões da peça.

  • Depois da nitretação só é possível retificar. Não é possível usinar porque a superfície é muito dura.

Processos de Nitretação

      • a gás
      • líquida ou em banho de sal
      • Por Plasma

A- NITRETAÇÃO À GÁS

  • Este processo é usado especialmente para aços ligados (Cr, Al, Mo,...).

  • Tempo de processo: é longo (48-72 horas ou mais)

  • O tratamento é realizado em fluxo de Amônia (NH3).

  • A camada nitretada atinge 0,8 mm e dureza de 1000-1100 vickers.

MECANISMO DA NITRETAÇÃO À GÁS

  • 2NH3  2N + 3H2

  • O Nitrogênio produzido combina-se com a ferrita formando nitretato de ferro ou forma nitretos complexos, de alta dureza, com os elementos de liga do aço.

B- NITRETAÇÃO LÍQUIDA

  • O MEIO NITRETANTE É UMA MISTURA DE SAIS: NaCN, Na2CO3, KCN, KCNO, KCl.

  • Tempo de nitretação: no máximo 2 horas

  • Temperatura de nitretação: 500-580 C

  • A camada nitretada é menos espessa que na nitretação à gás

B- NITRETAÇÃO LÍQUIDA Exemplo de banhos:

      • Banho simples: NaCN, KCN.
  • A nitretação líquida é usada também em aços baixo Carbono (em peças de menor solicitação)

B- NITRETAÇÃO LÍQUIDA Exemplo de banhos:

  • - Banho Tenifer- Tufftride: KCN, KCNO fundido em um cadinho de titânio + aeração para promover a oxidação do KCN, produzindo C + N.

  • Forma uma estrutura de carbonetos e nitretos na superfície (8-16 mícrons) + zona de difusão do Nitrogênio (370-450 mícrons).

  • A zona de difusão contribui para um aumento da resistência à fadiga.

  • Este processo pode ser usado para aço comum, baixo carbono, aços-liga.

  • É bastante usado na indústria automobilística e de ferramentas: engrenagens, pinos, eixos, brocas, fresas, matrizes, etc.

C- NITRETAÇÃO POR PLASMA PROCEDIMENTO

      • A peça é colocada num forno com vácuo
      • Aplica-se um potencial entre as paredes do forno e a peça (500-1000 Volts)
      • Gás Nitrogênio é introduzido na câmara e é ionizado
      • Os íons são acelerados em direção a peça (pólo negativo)
      • O impacto dos íons gera calor suficiente para promover a difusão
      • O forno atua como eletrodo e como câmara de vácuo e não como fonte de calor.

C- NITRETAÇÃO POR PLASMA VANTAGENS

      • O processo é rápido
      • Baixo consumo de gases
      • Baixo custo de energia
      • Fácil automatização
      • Necessita de pouco espaço físico
      • É aplicável a vários materiais
      • Produz peças de alta qualidade

2.3- CIANETAÇÃO

  • Há um enriquecimento superficial de carbono e Nitrogênio.

  • T= 650-850 C

  • Espessura: 0,1-0,3 mm

  • É aplicado em aços-carbono com baixo teor de Carbono

  • O resfriamento é feito em água ou salmora

2.3- CIANETAÇÃO

  •  O processo é executado em banho de sal fundido (cianeto)

  • Semelhante a cementação líquida

  • 2NaCN + O2  2NaCNO

  • 4NaCNO  Na2CO3 + 2NaCN + CO +2N

  • 2CO  CO2 +C

2.3- CIANETAÇÃO

  • Vantagens em relação a cementação:

  • Maior rapidez

  • Maior resistência ao desgaste e a corrosão

  • Menor temperatura de processo

2.4- CARBO-NITRETAÇÃO

  • É SEMELHANTE À CEMENTAÇÃO À GÁS

  • O processo ocorre em meio gasoso

  • Espessura: 0,7 mm

  •  Neste processo introduz-se Amônia (30%) + gás carbonizante na atmosfera do forno

  • T= 700-900 C

2.4- CARBO-NITRETAÇÃO

  • Deve-se posteriormente temperar as peças em óleo e revenir

  • Tempo de 1 hora 0,1 mm de camada endurecida

2.4- CARBO-NITRETAÇÃO

  • Vantagem em relação à tempera:

  • O material apresenta uma melhor temperabilidade devido ao aumento do teor de Carbono

  • Processo mais rápido

  • Temperatura mais baixa

  • Menor crescimento de grão

  • Maior resist. ao desgaste

  • Menor distorção

2.5- BORETAÇÃO

  • Consiste na introdução de Boro por difusão

  • Ocorre em meio sólido

  • Temperatura: 900°C

  • B4C + ATIVADOR

  • BORETO DE FERRO que é um composto duro

  • (DUREZA VICKERS: 1700-2000)

2.5- BORETAÇÃO CONSIDERAÇÕES

  • Temperatura de boretação = 900 C

  • Para um aço 0,45 % de Carbono

  • um tempo de processo de 4 horas origina uma camada endurecida de 100 mícrons.

Comentários