Tratamentos Termoquímicos

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Tratamentos Termoquímicos [9]
1>
¾ Projeto mecânico resistência ao desgaste
+ tenacidade
Visualização das tensões no contato mecânico
entre engrenagens cilíndricas de dentes retos
(efeito fotoelástico).
ƒ Têmpera
superficial
ƒ Tratamentos
termoquímicos
endurecimento
superficial
formação de uma
superfície dura com
núcleo tenaz
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2>
¾ Têmpera superficial por aquecimento indutivo:
http://www.youtube.com/watch?v=zR9shiuntMY
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3>
¾ Tratamentos termoquímicos: promover o endurecimento 
superficial através do enriquecimento de intersticiais (C,N) por
difusão atômica, seguida de têmpera normalmente em óleo.
Processos industriais:
ƒ Cementação (C)
sólida
ƒ Nitretação (N)
líquida
ƒ Carbonitretação (C,N)
gasosa
ƒ Cianetação (C,N)
plasma (iônica)
4>
¾ Fluxo de átomos quantidade de átomos por unidade
(J) de tempo por unidade de área.
área
unitária
Primeira Lei de Fick:
- cálculo da difusão estacionária
(fluxo constante)
D – coeficiente de difusão
D = f(freqüência e deslocamento)
[D] = [m2.s-1]
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
⋅⋅−= sm
átomos
dx
dcDJ 2
Tratamentos Termoquímicos
5>
¾ Segunda Lei de Fick considera as variações de fluxo /
concentração ao longo do tempo.
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
∂
∂⋅∂
∂=∂
∂
x
cD
xt
c
fluxo J
Solução:
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
⋅⋅⋅= tD2
xerfccc 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
 
 
C
o
e
f
i
c
i
e
n
t
e
 
d
e
 
d
i
f
u
s
ã
o
 
D
 
[
m
2
/
s
]
Temperatura [oC]
6>
¾ Variação do coeficiente de difusão D no ferro:
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
⋅
−⋅=
TR
QexpDD o
austenita
Feγ
Feγ
Feα
ferrita
Feα
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7>
¾ Exemplo da difusão de carbono através da superfície:
concentração
de
carbono
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superfície centro 
austenita
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8>
¾ Parâmetros do processo de cementação: 
ƒ Aço com baixo teor de carbono (C < 0,25%);
ƒ Difusão de carbono na austenita;
ƒ Disponibilidade de carbono no meio de cementação;
ƒ temperatura entre 850 a 950°C para ↓ CGγ
¾ Processos industriais para cementação: 
ƒ espessuras normalmente inferiores a 1,5mm
ƒ durezas superficiais 50 – 65 HRC
ƒ processos demorados (4 – 10 horas)
ƒ meio gasoso (metano)
ƒ meio líquido (banho de sal fundido, a base de cloretos,
carbonatos e cianeto de sódio)
ƒ meio sólido (carvão moído + catalisador “em caixa”)
¾ Vacuum Carburizing and Heat treating: 
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9>
http://www.youtube.com/watch?v=pYQuqNFG2ro
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10>
¾ Cementação em caixa: 
22 COOC →+
CO2CCO2 →+
23 COCFeCO2Fe3 +→+
32
3
BaCOCOBaO
CO2BaOCBaCO
⇔+
+⇔+
O carbono existente no carvão
reage com o oxigênio do ar, 
formando o dióxido de carbono. 
O carbonato de bário acelera o 
fornecimento de monóxido de 
carbono, induzindo a formação
de cementita na superfície da
peça cementada.
BaCO3 – 5 a 20%
11>
¾ Cementação em aços:
Pretende-se criar uma camada com 0,25%C (no mínimo) após
cementação a 1000°C durante 1 hora. Supondo que a disponi-
bilidade de carbono seja 1,5% na superfície temos:
17,0
5,1
25,0
c
co ≈= ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
⋅−= tD2
xerf1
c
c cosendo
97,0
tD2
x83,0
tD2
xerf cc ≈⋅→≈⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
⋅Usando tabelas
Considerando os dados de difusividade do carbono temos
s/m107,2
)2731000(314,8
107,135xpe1010,0D 211
3
4 −−
γ ⋅≈⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
+⋅
⋅−⋅⋅=
mm6,0x)3600()107,2(297,0x c
11
c ≈→⋅⋅⋅⋅= −
Logo, a espessura da camada cementada será estimada em
Tratamentos Termoquímicos
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12>
¾ 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 engrenagem
mostrando camada cementada com
trincas resultantes de tratamento.
Ataque: reativo de iodo.
30 mm
0,4 mm
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13>
¾ Efeito da temperatura e tempo na cementação: 
825°C
850°C
875°C
900°C925°C
950°C
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14>
¾ Dureza e profundidade da camada cementada: 
Aços:
ƒ 1020 (C)
ƒ 4620
(Ni, Mo)
ƒ 8620
(Ni, Cr, Mo)
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15>
¾ Nitretação: enriquecimento da superfície com nitrogênio, 
utilizando meios gasosos ou líquidos nitrogenados
que contribuem para a formação de Fe2N.
Objetivos:
ƒ obtenção de elevada dureza superficial;
ƒ aumento da resistência ao desgaste e à fadiga;
ƒ melhoria da resistência à corrosão;
Processamento:
ƒ temperatura de tratamento entre 500 a 575°C;
ƒ meio gasoso: camada com 0,65mm após 70 horas;
ƒ meio líquido: resultado anterior em 1 a 3 horas;
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16>
¾ Nitretação em meio gasoso:
ƒ sais de sódio: Na(CN); Na2CO3; Na(CNO);
ƒ sais de potássio: K(CN); K2CO3; K(CNO); KCl;
23 H3N2NH2 +→
¾ Nitretação em meio líquido: 1
¾ Nitretação a Plasma (PN) - mistura gasosa: 80% H2 + 20% N2 (v/v)
• pressão na câmara: 500Pa (5mBar) a 400 - 500°C durante 5 horas. 
¾ Nitrocementação a Plasma (PNC) - 77% H2 + 20% N2 + 3% CH4 (v/v)
• pressão na câmara: 500Pa (5mBar) a 400 - 500°C durante 5 horas. 
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Plasma: The 4th State of Matter
http://www.youtube.com/watch?v=VkeSI_B5Ljc
17>
• 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).
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18>
¾ 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 
F
e
r
n
a
n
d
e
s
 
e
t
a
l
.
 
E
B
R
A
T
S
 
(
2
0
1
2
)
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19>
¾ Camada nitretada:
Micrografia tirada de aço
baixo carbono mostrando
a camada nitretada (branca)
uniforme na superfície.
Gráfico comparativo entre
os diversos processos de
nitretação de aços.
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20>
¾ Cianetação: enriquecimento da superfície com carbono e
nitrogênio, utilizando um banho de cianeto fundido ou
uma atmosfera gasosa adequada (amônia/metano).
Objetivos:
ƒ obtenção de elevada dureza superficial;
ƒ aumento da resistência ao desgaste e à fadiga;
Processamento:
ƒ aços com baixo carbono ou baixa liga;
ƒ temperatura de tratamento entre 750 a 870°C;
ƒ meio líquido: camada com 0,1 a 0,3mm após 1 hora;
ƒ cuidados operacionais (os cianetos provocam asfixia).
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Bibliografia:
¾ Alves Jr, C. Nitretação a Plasma: Fundamentos e Aplicações, 2001.
Disponível para download em http://www.labplasma.ct.ufrn.br/index.php?id=5
¾ Chiaverini, V. Aços e Ferros Fundidos. ABM, São Paulo, 
5a. ed., 1987, pp. 117-142.
¾ Colpaert, H. Metalografia dos Produtos Siderúrgicos 
Comuns. Ed. Edgard Blucher, São Paulo, 1974, pp. 289-298.
¾ Chiaverini, V. Tratamentos Térmicos das Ligas Ferrosas.
Assoc. Bras. Metais, São Paulo, 2a. ed., 1987, pp. 99-131.
¾ American Society for Metals. ASM Handbook, Vol. 4: HeatTreating. 10th ed., 1991.
21
Notas 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/