Aula semana 2_HP2

8/9/2019 Aula semana 2_HP2

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Engenharia de Superf Engenharia de Superf cie: Tratamentoscie: TratamentosSuperficiaisSuperficiais

Prof. Dr. Haroldo Cavalcanti PintoProf. Dr. Haroldo Cavalcanti Pinto2 semestre 2009

Cincia dos Materiais II SMM0194


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Aula IAula I

Tmpera SuperficialTmpera Superficial

Tratamentos TermoquTratamentos Termoqu micosmicos


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Endurecimento SuperficialEndurecimento SuperficialOs processos de endurecimento superficial visam o aumentoOs processos de endurecimento superficial visam o aumentode dureza (ou outras propriedades mecnicas) de uma regiode dureza (ou outras propriedades mecnicas) de uma regioespecespec fica de um componente.fica de um componente.

Normalmente, tal regioNormalmente, tal regiosofrersofrer algum tipo dealgum tipo desolicitasolicitao localizada. Ao localizada. Asolicitasolicitao mais comumo mais comum oodesgaste abrasivo e, assim,desgaste abrasivo e, assim,tornatorna--se importante umse importante umaumento de resistncia aoaumento de resistncia aodesgaste da regio por meiodesgaste da regio por meiode um endurecimentode um endurecimentolocalizado, conservando aslocalizado, conservando ascaractercaracter sticas originais dosticas originais donncleo do componentecleo do componente


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MMtodos de Endurecimentotodos de EndurecimentoSuperficialSuperficial

Encruamento por conformaEncruamento por conformao mecnica a frioo mecnica a frio(( shot peeningshot peening ouou roletagemroletagem ););

Tmpera superficialTmpera superficialTratamentos termoquTratamentos termoqu micos (cementamicos (cementao,o,nitretanitretao, carbonitretao, carbonitretao etc.)o etc.)

Tratamentos de eletrodeposiTratamentos de eletrodeposio ou aspersoo ou aspersottrmica (aplicarmica (aplicao deo de cromo durocromo duro ,,revestimentos cermicos e etc.)revestimentos cermicos e etc.)


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Encruamento por ConformaEncruamento por Conformao Mecnica a Frioo Mecnica a Frio

Turbina

Granalhas

Esteira

Lminas

Esquema da realizao do jateamento porgranalhas Feixe molas carro (lamina)

Formao da cavidade devido aoimpacto da esfera no jateamento

Exemplo do perfil de tenso residual criado pelprocesso de jateamento

shot peeningshot peening


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Tmpera SuperficialTmpera Superficial

A tmpera superficial A tmpera superficialproduz regiesproduz regies

endurecidas na superf endurecidas na superf cieciedo componente (dedo componente (demicroestruturamicroestruturamartensmartens tica) de elevadatica) de elevadadureza e resistncia aodureza e resistncia aodesgaste, sem alterar adesgaste, sem alterar amicroestrutura do nmicroestrutura do ncleo.cleo.

A Aos com 0.3os com 0.3--0.6% C0.6% C


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Dureza da Martensita


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Vantagens da Tmpera Vantagens da TmperaSuperficialSuperficial

Aplica Aplica--sese pepeas de grandes dimensesas de grandes dimenses(engrenagens de 2(engrenagens de 2--3 m)3 m)Permite o endurecimento emPermite o endurecimento emreas localizadasreas localizadasPode ser usado quando a geometria da pePode ser usado quando a geometria da peaaocasionar grandes deformaocasionar grandes deformaesesPermite obter a combinaPermite obter a combinao de altas resistnciaso de altas resistnciasao desgaste e dureza na superf ao desgaste e dureza na superf cie, comcie, comductilidade e tenacidade no nductilidade e tenacidade no ncleo da pecleo da peaaNo exige fornos de aquecimentoNo exige fornos de aquecimento rrpida (pode ser aplicada na oficina)pida (pode ser aplicada na oficina)

No produz grandes oxidaNo produz grandes oxidaes ees edescarbonetadescarbonetaes no aes no ao.o.


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Processos Usuais de TmperaProcessos Usuais de TmperaSuperficialSuperficial

Por ChamaPor Chama

Por InduPor InduooPor LaserPor Laser

Por Feixe eletrnicoPor Feixe eletrnico


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Tmpera por chamaTmpera por chamaO aquecimentoO aquecimento realizado porrealizado pormeio de chama oxiacetilnica atmeio de chama oxiacetilnica ata austenitizaa austenitizao da camadao da camadadesejada. O resfriamentodesejada. O resfriamento

realizado com salmoura, solurealizado com salmoura, soluesesde polde pol meros,meros, gua; por meio degua; por meio despray ou imerso.spray ou imerso.Podem ser atingidasPodem ser atingidasprofundidades de atprofundidades de at 6,3 mm6,3 mm

A profundidade da camada A profundidade da camadacontrolada pela intensidade,controlada pela intensidade,

distncia e tempo de duradistncia e tempo de durao dao dachama aplicadachama aplicada


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Tmpera por chamaTmpera por chama-- mmtodostodosEstacionEstacionrio: Aquecerio: Aquece--se apenas o local ase apenas o local aser endurecido com subseqser endurecido com subseqenteenteresfriamento rresfriamento rpido, por meio de aspersopido, por meio de aspersoou imerso.ou imerso. o mo mtodo mais simples.todo mais simples.

Emprega apenas um maEmprega apenas um maarico e umarico e umtanque para resfriamentotanque para resfriamento

Progressivo: mProgressivo: mtodo direcionado aotodo direcionado aotratamento de petratamento de peas de grande porte. Oas de grande porte. O

equipamento consiste de uma ou maisequipamento consiste de uma ou maistochas de aquecimento e um dispositivotochas de aquecimento e um dispositivode resfriamento por asperso, montadosde resfriamento por asperso, montadosem um carro que pode ter sua velocidadeem um carro que pode ter sua velocidade

controlada. As velocidades variam,controlada. As velocidades variam,normalmente, de 5 a 30 cm/min.normalmente, de 5 a 30 cm/min.


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Tmpera por chamaTmpera por chama-- mmtodostodos

GiratGiratrio: o componente, de serio: o componente, de seo circular, gira ao circular, gira auma velocidade estabelecida empiricamente,uma velocidade estabelecida empiricamente,enquanto a tocha oxiacetilnica austenitiza a regioenquanto a tocha oxiacetilnica austenitiza a regioser endurecida. Para um aquecimento mais rser endurecida. Para um aquecimento mais rpido epido ehomogneo so empregadas diversas tochashomogneo so empregadas diversas tochas


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Consumo de OxignioConsumo de Oxignio ::Co= 0.7 (p)Co= 0.7 (p)1/21/2 [l/cm[l/cm22]]

p= profundidade endurecida em mm p= profundidade endurecida em mm

Consumo de acetileno:Consumo de acetileno:Ca= 0.45 pCa= 0.45 p1/21/2 [l/cm[l/cm22]]

Tempo de aquecimentoTempo de aquecimento7 . p7 . p22 [s][s]

Velocidade de movimento da tocha Velocidade de movimento da tocha72/ .p72/ .p22 [cm/minuto][cm/minuto]

Para mPara mtodo progressivo girattodo progressivo giratriorio


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Tmpera SuperficialTmpera Superficial por chamachama


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TMPERA SUPERFICIALTMPERA SUPERFICIALPOR INDUPOR INDU O O

O calorO calor gerado na pegerado na pea por indua por induooeletromagneletromagntica, utilizandotica, utilizando--se bobinas dese bobinas deinduinduo, nas quais flui uma corrente elo, nas quais flui uma corrente eltricatricade alta freqde alta freqncia.ncia.Se umaSe uma correntecorrente alternada passa por umalternada passa por umbobina, estabelecebobina, estabelece--se nesta umse nesta um campocampomagnmagnticotico alternado, o qual induz umalternado, o qual induz umpotencial elpotencial eltricotrico na pena pea a ser aquecida.a a ser aquecida.Como a peComo a peaa um circuito fechado, a tensoum circuito fechado, a tensoinduzida provoca uminduzida provoca umfluxo de correntefluxo de corrente(corrente parasita). A resistncia(corrente parasita). A resistncia passagempassagemdesta corrente provoca o aquecimento dadesta corrente provoca o aquecimento daregio a ser temperadaregio a ser temperada


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TMPERA SUPERFICIALTMPERA SUPERFICIALPOR INDUPOR INDU O O


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Tmpera SuperficialTmpera Superficialpor Indupor Induoo

O tempo de aquecimentoO tempo de aquecimento dadaordem de segundos. Oordem de segundos. Oresfriamentoresfriamento realizado da mesmarealizado da mesma

maneira que a tmpera por chama.maneira que a tmpera por chama.


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Tmpera Superfical por InduTmpera Superfical por Induoo


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A quantidade de calor gerada A quantidade de calor gerada dadadadapela lei de Joule:pela lei de Joule:Q= 0,239.iQ= 0,239.i 22 . R. t. R. t

i = corrente em amperesi = corrente em amperes

R = resistncia do condutor em ohmsR = resistncia do condutor em ohmst = tempo que circula a corrente emt = tempo que circula a corrente emsegundossegundos

Tmpera Superfical por InduTmpera Superfical por Induoo


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A profundidade da camada temperada A profundidade da camada temperadacontrolada pela:controlada pela:

Forma da bobinaForma da bobina

Distncia entre a bobinaDistncia entre a bobinae a pee a peaa

FreqFreqncia elncia eltrica (500trica (500--2.000.000 ciclos/s)2.000.000 ciclos/s)

Tempo de aquecimentoTempo de aquecimento


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A profundidade da camada temperada A profundidade da camada temperada dada por:dada por:

p= 5030 . (p= 5030 . ( // .f).f)1/21/2

pp a profundidade da camada em cma profundidade da camada em cm a resistividade do material em ohm.cma resistividade do material em ohm.cm

a permeabilidade magna permeabilidade magn tica dotica domaterial em Gauss/Oerstedmaterial em Gauss/Oerstedf a freqf a freqncia da corrente em Hzncia da corrente em Hz


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Tmpera por induTmpera por induoo -- Vantagens Vantagens

PodePode--se determinar com preciso a profundidade dase determinar com preciso a profundidade dacamada temperada.camada temperada.O aquecimentoO aquecimento rrpidopido

As bobinas podem ser facilmente confeccionadas e As bobinas podem ser facilmente confeccionadas eadaptadasadaptadas forma da peforma da peaaNo produz o superaquecimento da peNo produz o superaquecimento da peaapermitindo a obtenpermitindo a obteno de uma estrutura martenso de uma estrutura martens ticatica

acicular finaacicular finaGeralmente, possibilita um maior aumento da durezaGeralmente, possibilita um maior aumento da durezae da resistncia ao desgastee da resistncia ao desgaste

A resistncia a fadiga A resistncia a fadiga tambtambm superiorm superiorNo tem problema de descarbonetaNo tem problema de descarbonetao.o.


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Correntes parasitas =>Correntes parasitas =>

Aquecimento Aquecimento


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Tmpera Superficial por LaserTmpera Superficial por LaserUtilizada na tmpera de peUtilizada na tmpera de peas comas comgeometrias variadasgeometrias variadasO processoO processo muito preciso em impormuito preciso em imporaquecimento seletivo sobreaquecimento seletivo sobrereas bemreas bem

especespec ficas. Alficas. Alm disto o processo pode serm disto o processo pode serfeito em alta velocidade, produzindo poucafeito em alta velocidade, produzindo poucadistordistoro.o.

VARI VARI VEIS QUE CONTROLAM A VEIS QUE CONTROLAM APROFUNDIDADE DA CAMADAPROFUNDIDADE DA CAMADADimetroDimetrododo raioraioIntensidadeIntensidade

Velocidade Velocidade dede varreduravarredura (100(100polegadaspolegadas /min.) /min.)


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Tmpera Superficial por LaserTmpera Superficial por Laser


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Tmpera por laserTmpera por laser-- Vantagens Vantagens

OO processoprocessoopera aopera a altasaltas velocidadesvelocidades

A A

distordistor

oo

provocadaprovocada

pequenapequena

PodePodeserser usadousado parapara reasreas selecionadasselecionadas

SoftwaresSoftwaresee automaautomaoo podempodemserser usadosusadosparapara controlarcontrolarosos parmetrosparmetros


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Tmpera Superficial porTmpera Superficial porFeixe EletrnicoFeixe Eletrnico

O endurecimento por feixe deO endurecimento por feixe deeleltronstrons similar ao endurecimentosimilar ao endurecimentopor laser. A fonte de energiapor laser. A fonte de energia umumfeixe de elfeixe de eltrons de alta energia.trons de alta energia.

O processo pode ser automatizado,O processo pode ser automatizado,mas deve ser conduzido sobmas deve ser conduzido sobcondicondies de ves de vcuo, visto que oscuo, visto que osfeixes de elfeixes de eltrons dissipamtrons dissipam--sesefacilmente no ar.facilmente no ar.Como no caso do laser, a superf Como no caso do laser, a superf cieciepode ser endurecida com muitapode ser endurecida com muitapreciso, tanto na profundidadepreciso, tanto na profundidadecomo na posicomo na posio.o.


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Tratamentos TermoquTratamentos Termoqu micosmicosOs tratamentos termoquOs tratamentos termoqu micos promovem um endurecimentomicos promovem um endurecimentosuperficial pela modificasuperficial pela modificao da composio da composio quo qu mica emica emicroestrutura em regies superficiais.microestrutura em regies superficiais.Seu objetivoSeu objetivo o aumento de dureza e resistncia ao desgaste deo aumento de dureza e resistncia ao desgaste de

uma camada superficial, mantendouma camada superficial, mantendo--se a microestrutura do nse a microestrutura do ncleocleoddctil e tenaz.ctil e tenaz.Os tratamentos termoquOs tratamentos termoqu micos mais importantes industrialmentemicos mais importantes industrialmenteso:so:

CementaCementaooNitretaNitretaooCarbonitretaCarbonitretaooCianetaCianetaooBoretaBoretaoo


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O processo consiste em aumentar o teor de carbono emuma fina camada na superfcie da pea e posteriortratamento de tmpera e revenido. Assim, se o ao debaixo carbono, apenas a camada superficial endurecida eo interior mantm as caractersticas de ductilidade etenacidade. Isso proporciona uma combinao daspropriedades desejveis de resistncia ao desgaste eestabilidade estrutural.

Aos carbono e baixa liga.

Cementao


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Tipos de cementao:Slida:a pea envolvida em uma mistura de carvo

vegetal granulado e reagentes. Um meio adequado, como umacaixa, mantm o conjunto que recebe aquecimento conforme.

Lquida:as peas so imersas em um banho de sal fundido,em temperaturas na faixa de 840 a 955C. Ocorre uma sriede reaes qumicas que resultam na difuso superficial docarbono. Um dos sais mais usados o cianeto de sdio(NaCN).

Gasosa:o carbono fornecido por um gs de hidrocarbonetocomo propano, etano, metano. Em geral, o gs parcialmente

oxidado em um dispositivo denominado gerador para produziruma atmosfera de CO e H2 que fornecida ao forno.

Cementao


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Tempo para Cementao

Case depth 0.35%C


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Cementao

Camadas deat 6.0mm deespessura !


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Processo de Difuso

1a Lei de Fick

2a Lei de Fick

Coeficiente de Difuso

dxdC D J =

2

2

x

C D

t C

=

= RT

Q D D exp0


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UMA soluo da segunda lei

=

Dt

xerf

C C

C C

S

X

21

0

0

- Slido semi-infinito de superfcie plana- C = Co para qualquer x quando t = 0

- Para t > 0, C = Cs para x = 0 e C = Co para x = infinito


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Funo erroz erf(z) z erf(z) z erf(z)0 0.0000 0.55 0.5633 1.3 0.93400.025 0.0282 0.60 0.6038 1.4 0.95230.05 0.0564 0.65 0.6420 1.5 0.9661

0.10 0.1125 0.70 0.6778 1.6 0.97630.15 0.1680 0.75 0.7111 1.7 0.98380.20 0.2227 0.80 0.7421 1.8 0.98910.25 0.2763 0.85 0.7707 1.9 0.9928

0.30 0.3286 0.90 0.7969 2.0 0.99530.35 0.3794 0.95 0.8209 2.2 0.99810.40 0.4284 1.00 0.8427 2.4 0.99930.45 0.4755 1.1 0.8802 2.6 0.9998

0.50 0.5205 1.2 0.9103 2.8 0.9999


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Potencial de Carbono

CO + CO2


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Problema para resolver

Qual o tempo necessrio para que oteor de carbono a 0,5 mm da superfciede uma pea de ao 1020 chegue a0,8% ? O potencial de carbono nasuperfcie da pea de 1% e atemperatura 1000oC.


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NitretaNitretaoo A nitreta A nitretaoo um tratamento termoquum tratamento termoqu mico que visa omico que visa oendurecimento superficial pela difuso de nitrognio eendurecimento superficial pela difuso de nitrognio econseqconseqente formaente formao de nitretos.o de nitretos.

A nitreta A nitretaoo realizada em temperaturasrealizada em temperaturasabaixo do campo abaixo do campo austen austen tico tico (A1) e no(A1) e no necessnecessrio um tratamentorio um tratamentosubseqsubseqente de tmpera para aumento de dureza (aente de tmpera para aumento de dureza (acamada nitretada jcamada nitretada j se encontra superficialmente dura).se encontra superficialmente dura).Temperatura de nitretaTemperatura de nitreta o:o:

500500--600600CC As pe As peas so resfriadas ao ar ou em salmouraas so resfriadas ao ar ou em salmoura Aos que contm elementos formadores de nitretos (Al, Cr, V)


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NitretaNitretaoo -- Vantagens Vantagens

ObtenObteno de alta dureza superficial (em torno de 70 HRC)o de alta dureza superficial (em torno de 70 HRC)

ObtenObteno de elevada resistncia ao desgasteo de elevada resistncia ao desgaste

Melhora a resistnciaMelhora a resistncia fadiga,fadiga, corroso (exceto INOX) ecorroso (exceto INOX) eao calorao calor

Propicia um menor empenamento das pePropicia um menor empenamento das peas, jas, j queque realizado a temperaturas mais baixas que a cementarealizado a temperaturas mais baixas que a cementaoo

No necessita de tratamento tNo necessita de tratamento trmico posteriorrmico posterior


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NitretaNitretaoo ConsideraConsideraes geraises gerais

A nitreta A nitretao promove um aumento naso promove um aumento nasdimenses da pedimenses da pea.a.O tratamento tO tratamento trmico (como tmpera e revenido)rmico (como tmpera e revenido)se desejado deve ser realizado antes dase desejado deve ser realizado antes danitretanitretao (600 e 700o (600 e 700 ooC) de modo a produzirC) de modo a produzirestrutura mole, que permite usinagem das peestrutura mole, que permite usinagem das peasaspara a tolerncia desejada.para a tolerncia desejada.Depois da nitretaDepois da nitretao so s possposs vel retificar. Novel retificar. No possposs vel usinar porque a superf vel usinar porque a superf ciecie muitomuitodura.dura.


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NitretaNitretaoo -- CamadasCamadasCamada branca: possui estaCamada branca: possui estacoloracolorao apo aps ataque coms ataque comnital.nital. tambtambm chamada dem chamada de

zona de compostos.zona de compostos. umaumacamada de elevada porosidade.camada de elevada porosidade.

Camada de difuso:Camada de difuso:

de dif de dif

cilcil

visualizavisualizao no microsco no microscpio,pio,sendo utilizada a microdurezasendo utilizada a microdurezapara verificar sua profundidadepara verificar sua profundidade


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Processos de NitretaProcessos de Nitretaoo

NitretaNitretao Gasosao Gasosa

NitretaNitretao Lo L quidaquida

NitretaNitretao Inica (Plasma)o Inica (Plasma)


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Este processoEste processo usado especialmente para ausado especialmente para aos ligados (Cr, Al,os ligados (Cr, Al,Mo,V...)Mo,V...) formadores de nitretos estformadores de nitretos estveisveis A Aos carbono em geral no podem ser nitretados a gos carbono em geral no podem ser nitretados a gs pois formas pois formacamada nitretada quebradicamada nitretada quebradiaa

Tempo de processo muito longo (48Tempo de processo muito longo (48--72 horas ou prox. 90 hs);72 horas ou prox. 90 hs);Outra desvantagemOutra desvantagem o crescimento que o material sofre duranteo crescimento que o material sofre duranteo tratamento (prever dim. usinagem);o tratamento (prever dim. usinagem);O tratamentoO tratamento realizado em fluxo de Amnia (NHrealizado em fluxo de Amnia (NH33););

A camada nitretada raramente ultrapassa 0,8 mm e dureza de A camada nitretada raramente ultrapassa 0,8 mm e dureza de10001000--1100 Vickers;1100 Vickers;Os aOs aos temperados e revenidos so tratados antes da nitretaos temperados e revenidos so tratados antes da nitretaoo(dif (dif cil correcil correo dimensional da peo dimensional da pea com a camada nitretadaa com a camada nitretada--dura).dura).


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Mecanismo da NitretaMecanismo da Nitretao Gasosao Gasosa

2NH2NH3 (amonia)3 (amonia) 2N2N(nitrognio)(nitrognio)+ 3H+ 3H22

O Nitrognio produzido combinaO Nitrognio produzido combina--se com ase com aferrita formando nitreto de ferro ou formaferrita formando nitreto de ferro ou formanitretos complexos, de alta dureza, com osnitretos complexos, de alta dureza, com os

elementos de liga do aelementos de liga do ao.o.


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Estgio nico componentes sotratados em temperaturas entre495C e 525C e formada umacamada dura e frgil de nitretos nasuperfcie, denominada camadabranca (taxa dissociao NH3 de 15a 30%)Duplo estgio (processo Floe) tem como objetivo reduzir a

espessura de camada brancaformada no primeiro estgio(restrita a ao com Al) 1 estgiomais curto. Temp. segundo estgio(550 a 565oC, taxa de dissociaoNH3 de 65 a 85%)

NitretaNitretao lo l quidaquida


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qq As aplicaes dos processos de nitretao gasosa e lquidaso muito similares. O processo gasoso recomendado paracamadas mais espessas e aplicaes em que a camadabranca no desejada pois oferece a opo FloeComo na nitretao gasosa, os aos submetidos nitretaolquida so aos com teores de carbono entre 0,1 e 1,3% deC, podendo apresentar microestruturas ferrticas, perlticas,bainticas ou martensticas (no precisa ser microligado)

O tempo de nitretao de aproximadamente duas horas(muito menor que a gs)O meio nitretante um banho de sal fundido base decianetos, operado em temperaturas entre 500 e 560C.

Camadas nitretadas geralmente menos espessas que agasosa (0,015 mm contra 0,7 mm a gs)

NitretaNitretao lo lquidaquida AplicaAplicaeses


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NitretaNitretao lo l quidaquida-- Aplica Aplicaeses


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NitretaNitretao Inicao Inica A pe A peaa colocada numcolocada numforno a vforno a vcuocuo Aplica Aplica--se um potencialse um potencialentre as paredes do forno eentre as paredes do forno ea pea pea (500a (500--1000 Volts)1000 Volts)

GGs Nitrognios Nitrognio introduzido na cmara eintroduzido na cmara eionizadoionizadoOsOs ons so acelerados emons so acelerados emdiredireo a peo a pea (pa (plolo

negativo)negativo)O impacto dosO impacto dos ons geraons geracalor suficiente paracalor suficiente parapromover a difusopromover a difusoO forno atua como eletrodoO forno atua como eletrodo

e como cmara de ve como cmara de vcuo ecuo eno como fonte de calor.no como fonte de calor.

NitretaNitretao Inicao Inica


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NitretaNitretao Inicao InicaO processo de nitretao inica, em comparao aoprocesso de nitretao gasosa, apresenta um controle maispreciso do potencial de nitrognio na superfcie do metal.Por meio deste controle possvel selecionar a camada

branca (Fe2-3N) ou (Fe4N) ou, ainda, evitarcompletamente a formao de camada


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NitretaNitretao Inicao Inica-- Aplica Aplicaeses A dureza aps a nitretaodepende da presena deelementos de liga formadoresde nitretos. Os aos maisempregados so da srie"nitralloys" e possuem em suacomposio aproximadamente1%Al e 1-1,5%Cr.

Outras aplicaes envolvem ouso aos-liga contendo Cr,aos inoxidveis, aosferramentas, componentesobtidos por metalurgia do p eferros fundidos.


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