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Tratamentos Termoquímicos [9]
1>
Projeto mecânico resistência ao desgaste+ tenacidade
Visualização das tensões no contato mecânicoentre engrenagens cilíndricas de dentes retos
(efeito fotoelástico).
Têmperasuperficial
Tratamentostermoquímicos
endurecimentosuperficial
formação de umasuperfície dura comnúcleo tenaz
Tratamentos Termoquímicos
2>
Têmpera superficial por aquecimento indutivo:
http://www.youtube.com/watch?v=zR9shiuntMY
Tratamentos Termoquímicos
3>
Tratamentos termoquímicos: promover o endurecimento superficial através do enriquecimento de intersticiais (C,N) pordifusão atômica, seguida de têmpera normalmente em óleo.
Processos industriais:
Cementação (C)sólida
Nitretação (N)líquida
Carbonitretação (C,N)gasosa
Cianetação (C,N)plasma (iônica)
4>
Fluxo de átomos quantidade de átomos por unidade(J) de tempo por unidade de área.
áreaunitária
Primeira Lei de Fick:- cálculo da difusão estacionária
(fluxo constante)
D – coeficiente de difusãoD = f(freqüência e deslocamento)[D] = [m2.s-1]
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
⋅⋅−=
smátomos
dxdcDJ 2
Tratamentos Termoquímicos
5>
Segunda Lei de Fick considera as variações de fluxo /concentração ao longo do tempo.
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
∂∂
⋅∂∂
=∂∂
xcD
xtc
fluxo JSolução:
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⋅⋅⋅=
tD2xerfccc o
sendo co a concentração inicial, erfc a função erro complemen-tar, D o coeficiente de difusão e t o tempo.
Tratamentos Termoquímicos
500 600 700 800 900 1000 1100 1200 13001400
1E-21
1E-20
1E-19
1E-18
1E-17
1E-16
1E-15
1E-14
1E-13
1E-12
1E-11
1E-10 C Ti Fe C Ti Fe
Coe
ficie
nte
de d
ifusã
o D
[m2 /s
]
Temperatura [oC]6>
Variação do coeficiente de difusão D no ferro:
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⋅−
⋅=TR
QexpDD o
austenitaFeγ
Feγ
Feα
ferritaFeα
Tratamentos Termoquímicos
7>
Exemplo da difusão de carbono através da superfície:
concentraçãode
carbono
Tratamentos Termoquímicos
superfície centro
austenita
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Parâmetros do processo de cementação: Aço com baixo teor de carbono (C < 0,25%);Difusão de carbono na austenita;Disponibilidade de carbono no meio de cementação;temperatura entre 850 a 950°C para ↓ CGγ
Processos industriais para cementação: espessuras normalmente inferiores a 1,5mmdurezas superficiais 50 – 65 HRCprocessos demorados (4 – 10 horas)
meio gasoso (metano)meio líquido (banho de sal fundido, a base de cloretos,
carbonatos e cianeto de sódio)meio sólido (carvão moído + catalisador “em caixa”)
Vacuum Carburizing and Heat treating:
Tratamentos Termoquímicos
9>http://www.youtube.com/watch?v=pYQuqNFG2ro
Tratamentos Termoquímicos
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Cementação em caixa:
22 COOC →+
CO2CCO2 →+
23 COCFeCO2Fe3 +→+32
3
BaCOCOBaOCO2BaOCBaCO
⇔+
+⇔+
O carbono existente no carvãoreage 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 dapeça cementada.
BaCO3 – 5 a 20%
11>
Cementação em aços:Pretende-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:
17,05,125,0
cco ≈= ⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⋅−=
tD2xerf1
cc cosendo
97,0tD2
x83,0tD2
xerf cc ≈⋅
→≈⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⋅Usando tabelas
Considerando os dados de difusividade do carbono temos
s/m107,2)2731000(314,8
107,135xpe1010,0D 2113
4 −−γ ⋅≈⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
+⋅⋅−
⋅⋅=
mm6,0x)3600()107,2(297,0x c11
c ≈→⋅⋅⋅⋅= −
Logo, a espessura da camada cementada será estimada em
Tratamentos Termoquímicos
Tratamentos Termoquímicos
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Camada cementada:
Micrografia de camada cementada, conseguida após 4 horas a 1000°C,
mostrando visível gradiente de concentração pela presença da
cementita. Ataque: nital..
superfície
Macrografia de uma engrenagemmostrando camada cementada comtrincas resultantes de tratamento.
Ataque: reativo de iodo.
30 mm
0,4 mm
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Efeito da temperatura e tempo na cementação:
825°C
850°C
875°C
900°C925°C950°C
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Dureza e profundidade da camada cementada:
Aços:
1020 (C)
4620(Ni, Mo)
8620(Ni, Cr, Mo)
Tratamentos Termoquímicos
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Nitretação: enriquecimento da superfície com nitrogênio, utilizando meios gasosos ou líquidos nitrogenadosque contribuem para a formação de Fe2N.
Objetivos:obtenção de elevada dureza superficial;aumento da resistência ao desgaste e à fadiga;melhoria da resistência à corrosão;
Processamento:temperatura de tratamento entre 500 a 575°C;meio gasoso: camada com 0,65mm após 70 horas;meio líquido: resultado anterior em 1 a 3 horas;
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Nitretação em meio gasoso:
sais de sódio: Na(CN); Na2CO3; Na(CNO);
sais de potássio: K(CN); K2CO3; K(CNO); KCl;
23 H3N2NH2 +→
Nitretação em meio líquido:
Nitretação a Plasma (PN) - mistura gasosa: 80% H2 + 20% N2 (v/v)• pressão na câmara: 500Pa (5mBar) a 400 - 500°C durante 5 horas.
Nitrocementação a Plasma (PNC) - 77% H2 + 20% N2 + 3% CH4 (v/v)• pressão na câmara: 500Pa (5mBar) a 400 - 500°C durante 5 horas.
Tratamentos Termoquímicos
Plasma: The 4th State of Matter
http://www.youtube.com/watch?v=VkeSI_B5Ljc17>
• substrato de grãos austeníticos maclados (annealing twins), com 40-80μm e morfologia poligonal típica.• camada homogênea fina formada a 400°C – ↑ temperatura nitretação promoveu a formação outras fases.• formação de camadas duras (480-1600HV) sobre substrato SASS com 200HV.• Nitrocementação (PNC) favoreceu a formação de camadas mais espessas que a nitretação (PN).
Tratamentos Termoquímicos
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Nitretação (PN)/Nitrocementação (PNC) em aço inoxidável superaustenítico:
e = 4,5 ± 0,3μm e = 10,0 ± 1,0μm e = 22,0 ± 2,0μm
e = 10,1 ± 0,5μm e = 20,0 ± 2,0μm e = 31,0 ± 3,0μm
Fern
ande
s et
al. E
BR
ATS
(201
2)
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Camada nitretada:
Micrografia tirada de açobaixo carbono mostrandoa camada nitretada (branca)uniforme na superfície.
Gráfico comparativo entreos diversos processos denitretação de aços.
Tratamentos Termoquímicos
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Cianetação: enriquecimento da superfície com carbono enitrogênio, utilizando um banho de cianeto fundido ouuma atmosfera gasosa adequada (amônia/metano).
Objetivos:obtenção de elevada dureza superficial;aumento da resistência ao desgaste e à fadiga;
Processamento:aços com baixo carbono ou baixa liga;temperatura de tratamento entre 750 a 870°C;meio líquido: camada com 0,1 a 0,3mm após 1 hora;cuidados operacionais (os cianetos provocam asfixia).
Tratamentos Termoquímicos
Bibliografia:
Alves Jr, C. Nitretação a Plasma: Fundamentos e Aplicações, 2001.Disponível para download em http://www.labplasma.ct.ufrn.br/index.php?id=5
Chiaverini, V. Aços e Ferros Fundidos. ABM, São Paulo, 5a. ed., 1987, pp. 117-142.
Colpaert, H. Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns. 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. 99-131.
American Society for Metals. ASM Handbook, Vol. 4: HeatTreating. 10th ed., 1991.
21Notas de aula preparadas pelo Prof. Juno Gallego para a disciplina Lab. Materiais de Construção Mecânica I.® 2015. Permitida a impressão e divulgação. http://www.feis.unesp.br/#!/departamentos/engenharia-mecanica/grupos/maprotec/educacional/
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