9-Tratamentos Termoquimicos

Prévia do material em texto

TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS
1
INTRODUÇÃO
 Como os tratamentos de têmpera superficial, os
tratamentos termoquímicos visam igualmente o
endurecimento superficial dos aços.
 Contudo, neles, o endurecimento não é resultado de
uma simples transformação em martensita mas
ocorrem reações químicas entre os elementos do aço e
elementos do meio ambiente.
→ Meios gasosos, líquidos ou sólidos
 Os dois tratamentos termoquímicos principais são :
Cementação e Nitretação
2
 Tratamento termoquímico
que visa introduzir C na
superfície da peça de modo
que a peça depois de
temperada e revenida
apresente superfície dura
sobre núcleo tenaz.
3
CEMENTAÇÃO, CARBONATAÇÃO, CARBORIZAÇÃO
 Características: 
 Metal utilizado: aço baixo carbono (usual ~ 0,2%C)
 Teor de carbono na superfície após o processo: ~0,8 a 1,0%C
 Difusão de carbono na fase austenítica tratamento realizado 
a altas temperaturas:850ºC a 950ºC - usual ~ 925ºC
 Principais Agentes Cementantes (Carbonetantes):
 Monóxido de carbono CO
 Metano CH4
 Propriedades da Peça:
 Após têmpera → Superfície resistente ao desgaste e núcleo 
dúctil, levando a alta resistência ao impacto e resistência à 
fadiga 
4
CONSIDERAÇÕES SOBRE A CEMENTAÇÃO
5
Meio
Carburante
+Carbono
Oxigênio
Difusão
MECANISMO DE CEMENTAÇÃO
 Profundidade tratada depende da temperatura e do 
tempo de cementação
6
PROFUNDIDADE DE CEMENTAÇÃO
 A dureza do material segue o gradiente de C na
profundidade da peça tratada.
7
GRADIENTE DE CARBONO
4h 1050°C
 Profundidade tratada aumenta com o tempo de cementação
8
EXEMPLO: PROFUNDIDADE VS. TEMPO
Não cementado Cementado - 1h
Cementado - 2h Cementado - 4h
 Fatores influenciando a velocidade de enriquecimento
em carbono:
 Teor inicial de carbono do aço
 Coeficiente D de difusão do carbono no aço
 O coeficiente de difusão D depende da temperatura e
corresponde à migração de átomos das regiões de
concentração mais alta em direção das regiões de
concentração mais baixa.
9
VELOCIDADE DE CEMENTAÇÃO
10
CEMENTAÇÃO APÓS RECOZIMENTO
Aço Baixo Carbono
Cementado e Recozido
superfície
cementada
região de
transição 1
região de
transição 2
região não atingida
pela cementação
região
central
Amostra (f = 3/4”)
Embutimento
Região afetada
pela cementação
perlita
200m 200m200m200m 200m
perlita
ferrita
perlita
ferrita
perlita
ferrita
perlita
ferrita
11
CEMENTAÇÃO APÓS TÊMPERA
Aço Médio Carbono
Cementado e Temperado
Superfície
cementada
Região de
transição 1
Região não atingida
pela cementação
Região
central
Amostra (f = 3/4”)
Embutimento
Região afetada
pela cementação
martensita
200m 200m200m 200m
ferrita
martensita
ferrita
martensita
ferrita
martensita
20m
20m
detalhe martensita
centro
superfície
12
CEMENTAÇÃO APÓS TÊMPERA
Aço Baixo Carbono - Cementado e Temperado
Alterações associadas
ao teor de carbono, à
velocidade de 
resfriamento e a 
temperabilidade
martensita e
austenita retida
ferrita, perlita
e bainita
ferrita e
perlita
superfície
50m
13
EQUILÍBRIOS CO/CO2 E CH4/H2
Elementos 
descarbonetantes
 Meio Carbonetante:
 Carvão vegetal e/ou mineral
 Óleo comum ou de linhaça
 Principais Reações:
 C + O2 → CO2
 CO2 + C → 2CO 
 2CO + 3Fe → Fe3C + CO2
 Substância Ativadora (catalizadora):
 Carbonato de bário BaCO3
 Carbonato de sódio Na2CO3
 Espessura da Camada Cementada: 
Pode ser > a 2 mm
14
CEMENTAÇÃO SOLIDA OU EM CAIXA
Mistura carburizante
 Monóxido de carbono
BaCO3  BaO + CO2 ou
BaCO3 + C  BaO + 2CO
 Meios Carbonetantes:
Gás natural, Gás de coqueria, Hidrocarbonetos
15
CEMENTAÇÃO À GÁS
 Principais Agentes Carbonetantes:
 Monóxido de carbono CO
 Metano CH4
 Etano C2H6
 Propano C3H8
 Principais Reações:
 2CO → C + CO2
 CO + H2 → C + H2O
 CH4 → C + 2H2
 C2H6 → C + CH4 + H2
 C3H8 → C + xC2H6 + yCH4 + zH2
16
CEMENTAÇÃO À GÁS
 Espessura da camada 
cementada:
Pode ser > a 2 mm
 Desvantagens:
 Mais oneroso
 Controle mais rigoroso do processo
 Vantagens:
 Cementação mais uniforme em composição e espessura
 Permite tempêra direta
 Maior velocidade de penatração de carbono
 Previne a oxidação das peças, pois os gases empregados
são protetores
17
CEMENTAÇÃO À GÁS
 Meio Carbonetante: Sais à base de cianeto
18
CEMENTAÇÃO LIQUIDA
 Principal Agente Carbonetante:
 Cianeto de sódio NaCN
 Cianeto de bário Ba(CN)2
 Principais Reações:
 2NaCN → Na2CN2 + C 
 Ba(CN)2 + 3Fe → Fe3C + BaCN2
 3Fe + C → Fe3C
 Espessura da Camada Cementada:
 Banhos de baixa temperatura: 0,08mm a 0,8mm
 Banhos de alta temperatura:0,5mm a 3mm (até 6mm)
19
CEMENTAÇÃO LIQUIDA
 Mesmas vantagens da cementação a gás
(qualidade, proteção corrosão, tempera direita, ...)
 Alem disso:
 Maior facilidade de produzir-se cementação localizada
 Maior facilidade de produção continua
 Maior rapidez de operação
 Inserção de nitratos
 Desvantagens:
 Cianeto é um sal venenoso → Cobertura e exaustão
 Risco de oxidação ou descorbonetação ao ar devido a
película de sal → Banho em óleo ou salmoura
20
CEMENTAÇÃO LIQUIDA
 Chamado processo “Metanol - Acetato de etila”
21
PROCESSO CARBOMAAG
Substancia condutora Substancia carburizante
22
TÊMPERA DAS PEÇAS CEMENTADAS
 Tipos:
 Têmpera direta
 Têmpera simples
 Têmpera dupla
23
TÊMPERA DAS PEÇAS CEMENTADAS
24
MATEMÁTICA DA CEMENTAÇÃO









Dt
x
erf
CC
CxC
SUP
SUP
2
)(
0







RT
Q
DDC exp0

(cm2/s)
R = 8,314 J/molK







Dt
x
erfCCCCx Sup
2
*)( 0sup
 Um aço 1010 é cementado usando uma atmosfera gasosa
que produz 1%C na superfície da peça. A profundidade
de cementação neste caso é definida como a distância
abaixo da superfície que contém pelo menos 0,5%C. Se a
cementação é feita a 1000ºC, determine o tempo
necessário para produzir uma profundidade de 1 mm.
25
EXERCÍCIO
26
SOLUÇÃO
 
  








2/1
2
1,0
9,00,15,0
Dt
erf
    55,0556,0)(5,09,0  zzerfzerf
 
  








2/10),(
2 Dt
x
erfCCCC sstx
hst
t
z
Dt
x
z 8,114260055,0
*1094,12
1,0
55,0
2 7




  scmD /1094,1)2731000(314,8/148000exp23,0 27
 Características: 
 Difusão de nitrogênio na fase ferrítica do aço: Tratamento 
realizado a temperaturas da ordem de 500ºC a 600ºC
 Modificação se dá pela formação de nitretos de ferro e de 
elementos de liga (Al, Cr, Mo) presentes no aço. 
 Propriedades da Peça:
 Alta resistência superficial: dureza e desgaste
 Resistência à fadiga
 Melhor resistência à corrosão e ao calor
 Espessura da Camada Nitretada: inferior a 1 mm
27
NITRETAÇÃO
Não há necessidade de têmpera
posterior; material já temperado
e revenido
 Peças com muitos contatos repetitivos e a temperatura 
mais alta:
28
APLICAÇÕES
 Camada branca: Espessura inferior a 25 µm
→ Não dura mas alta resistencia a corrosão e
engripamento
 Camada escura: Alta dureza com compostos Fe-C-N
29
MICROGRAFIA DA CAMADA NITRETADA
Camada branca
Camada escura
(zona de difusão)
nitretos dispersos
30
EFEITO DOS ELEMENTOS DE LIGA
 Aços mais utilizados para a nitretação:
 Aços ligados com cromo e molibdênio
 Aços ligados com alumínio entre 0,85 a 1,5% Aços inoxidáveis da série ferríticos
Al, Cr, Mo 
em alta teor
Al, Cr, Mo em 
baixa teor
 Meio/Agente Nitretante:
Amônia NH3
 Principal reação:
2NH3 → 2N + 3H2
 Temperatura: 
Entre 500 e 570°C
 Tempo do processo:
Geralmente 48 a 72 horas, pode ser até 90 horas, 
devido a uma difusão do Nitrogênio muito lenta
31
NITRETAÇÃO A GÁS
 Dificilmente a camada nitretada chega > a 0,8 mm
32
ESPESSURA TRATADO VS. TEMPO
 Meio/Agente Nitretante:
Mistura de sais de sódio e potássio (cianetos)
 Temperatura e tempo:
Igual à nitretação a gás com tempo geralmente menor
 Permite a nitretação de qualquer aços, inclusive aços
baixo carbono
 O Nitrogênio penetra mais profundamente (faixa de
difusão) → Nitretos de ferro ou nitretos especiais
33
NITRETAÇÃO LÍQUIDA OU “TENAZ”
 Quanto maior o teor de carbono, menor a profundidade 
tratada:
34
ESPESSURA TRATADO VS. TEMPO
 Exemplo de aço com 0,15 %C:
35
RESISTÊNCIA AO DESGASTE
 Limite de fadiga bem superior depois da nitretação
36
RESISTÊNCIA À FADIGA
Aço 0,15% C
Nitretado
30min
Nitretados 90min
 Ionitretação = Nitretação incandescente =
Nitretação a plasma
 Peças colocadas num recipiente a vácuo sobre um
suporte ligado a uma corrente elétrica continua.
A corrente excita e ioniza o gás de nitrogênio.
 O bombardeamento de íons eleva a temperatura
(315°) e ocorre uma reação química entre os aços
e os íons de nitrogênios.
 Superficies muito duras com pouco ou nenhuma
camada branca e com acabamento mais fosco.
37
IONITRETAÇÃO
38
COMPARAÇÃO ENTRE AS NITRETAÇÕES
 Características:
 Difusão simultânea de carbono e nitrogênio
 Tratamento realizado a temperaturas da ordem de 705ºC
a 900ºC
 Meio: Similar ao da cementação à gás com adição de
amônia
 Espessura da Camada Carbonitretada:
Varia de 0,075 mm (75 µm) a 0,75 mm (750 µm)
 Endereçabilidade melhor que a cementação 39
CARBONITRETAÇÃO
Solubilidade do carbono maior na austenita
 Características:
 Difusão simultânea de carbono e nitrogênio
 Tratamento realizado a temperaturas da ordem de
760ºC a 870ºC
 Meio: banhos contendo cianeto (geralmente cianeto
de sódio).
 Espessura da Camada Cianetada:
Varia de 0,10 mm a 0,3 0 mm (temperatura maior
para tratar espessura maior)
40
CARBONITRETAÇÃO EM BANHO DE SAIS
OU CIANETAÇÃO
CONCLUSÃO
 Os tratamentos termoquímicos aumentam a dureza
superficial em função da temperatura e do tempo do
tratamento.
 Eles são muito importantes devido a seus vários
objetivos e processos.
 O núcleo do material não sofre transformações
estruturais (apenas a superfície esta modificada)
deixando natural sua estrutura abaixo da camada.
 Esses tratamentos tendem a se desenvolver cada vez
mais.
41