Apresentação Trat Superficiais Cap 4 Aços e Ligas Concurso 0506

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TRATAMENTOS SUPERFICIAIS
Dentes de engrenagem temperadas por indução
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TRATAMENTOS SUPERFICIAIS
OBJETIVO
Endurecimento superficial do aço

visando

aumentar a resistência ao desgaste e à abrasão da superfície
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MÉTODOS DE ENDURECIM/o 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
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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.
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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.
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PROCESSOS USUAIS DE TÊMPERA SUPERFICIAL
Por Chama
Por indução
Por laser
Por feixe eletrônico
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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
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EQUIPAMENTOS
Pode ser feita manualmente ou com dispositivos especiais, com controle ótico de temperatura
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TÊMPERA SUPERFICIAL
Uso da chama para tratamento de engrenagem 
A profundid/e de endurecim/o pode ser aumentada pelo prolongam/o do tempo de aquecim/o. Podem ser atingidas profundid/es de até 6,3 mm. O processo é uma alternativa de tratam/o para peças muito grandes, que não caibam em fornos
Fonte:www.cimm.com.br
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A profundidade da camada temperada é controlada pela:
Intensidade da chama aplicada
distância da chama aplicada
tempo de duração da chama aplicada
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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
T = 7 . p2 		[s]
Velocidade de movimento da torcha
Vm = 72 / p2 		[cm/minuto]
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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.
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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 acicular 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.
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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
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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
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BOBINAS PARA TÊMPERA POR INDUÇÃO
Fonte: V. Chiaverini: Aços e 
Ferros Fundidos
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Na têmpera por indução, a peça é colocada no interior de uma bobina submetida à passagem de corrente alternada. O campo energiza a peça, provocando seu aquecim/o que depende da freqüência e da corrente; que controlam a taxa e a profundid/e de aquecim/o
Fonte:www.cimm.com.br
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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
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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
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Fonte:www.cimm.com.br
O processo é muito preciso em impor aquecimento seletivo sobre áreas bem específicas. Além disto o processo pode ser feito em alta velocidade, produzindo pouca distorção. 
Uso do laser em peça cilíndrica (esq.) e aplicação localizada (dir.) 
TÊMPERA POR LASER
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TÊMPERA POR LASER
VARIÁVEIS QUE CONTROLAM A PROFUNDIDADE DA CAMADA
Diâmetro do raio
Intensidade
Velocidade de varredura (100 polegadas/min.)
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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
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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
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É similar ao endurecimento por laser, a fonte de energia é um feixe de elétrons de alta energia. O feixe é manipulado com o uso de espiras eletromagnéticas. O processo pode ser automatizado, mas deve ser conduzido sob condições de vácuo, visto que os feixes de elétrons dissipam-se facillmente no ar. A superfície pode ser endurecida com muita precisão, tanto na profundidade como na posição.
Uso do feixe mostrando equipamento ( esq.) e detalhe peça e fonte (dir.) 
Fonte:www.cimm.com.br
TÊMPERA POR FEIXE ELETRÔNICO
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2- TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS SUPERFICIAIS
O endurecimento superficial é causado pela modificação parcial da composição química
	 
é alcançada através:
Aplicação de calor e de um meio químico
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2- TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS SUPERFICIAIS
- CEMENTAÇÃO
NITRETAÇÃO
CIANETAÇÃO
CARBO-NITRETAÇÃO
BORETAÇÃO
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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 a 950 C para haver absorção)
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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).
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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)
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A cementação pode ser realizada por quatro processos:
Por via gasosa
Por via líquida
Por via sólida
Por plasma
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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.
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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.
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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
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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
 O CO2 reage com o carvão incandecente e assim libera carbono para a peça
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ATIVADORES
 A presença do ativador contribui para aumentar a velocidade de formação do CO
1) BaCO3  BaO + CO2
2) CO2 + C  2 CO
3) 3Fe + 2CO  Fe3C + CO2
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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 
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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
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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 venenosos desprendem ácido cianídrico
as peças devem ser introduzidas no banho secas e limpas.
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C- CEMENTAÇÃO GASOSA
O meio carborizante é composto de uma mistura de GASES:
[CO2, H2, N2 (diluidor), (metano) CH4, (etano)C2H6, (propano)C3H8,..]
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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
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C- CEMENTAÇÃO GASOSA
Desvantagens do processo:
A temperatura e a mistura caborizante necessitam rígido controle durante o processo
as instalações são complexas e dispendiosas
as reações são complexas.
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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.
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D- CEMENTAÇÃO POR PLASMA
Vantagens do processo:
Tempos de processo menores (~30 % do processo à gás)
A peça não sofre oxidação, já que o processo é feito sob vácuo
Fácil automatização
Produz peças de alta qualidade.
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TRATAMENTOs TÉRMICOS UTILIZADOS APÓS A CEMENTAÇÃO
Não esquecer que a peça tem duas composições distintas: um núcleo com baixo teor de Carbono (<0,8% C) e uma superfície com teor de carbono acima do eutetóide (>0,8).
O TT para endurecimento deve levar em conta:o aço e as especificações da peça.

Portanto, tem 2 temperaturas críticas: A1 (camada cementada) e A3 (núcleo da peça).
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A- TÊMPERA DIRETA SIMPLES
A PEÇA É TEMPERADA AO AR, DIRETAMENTE A PARTIR 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
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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
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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.
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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.
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TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS
Importância da Difusão
- Cementação
 Nitretação
 Cianetação
 Carbonitretação
 Boretação
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LEIS DE FICK PARA DIFUSÃO
A SEGUNDA LEI DE FICK PARA DIFUSÃO PODE SER APLICADA PARA TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS
D = Do exp ( - Q / RT )
D = Coeficiente de difusão
Do = Constante característica do sistema de difusão
Q = Energia de ativação para difusão
R = Constante dos gases = 1,987 cal/mol K
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DADOS SOBRE DIFUSÃO DO B, C e N no FERRO
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SEGUNDA LEI DE FICK
(dependente do tempo e unidimensional)
 C/  t = - D  2C/  x2
Suposições (condições de contorno)__
Antes da difusão todos os átomos do soluto estão uniformemente distribuídos
O coeficiente de difusão permanece constante (não muda com a concentração)
O valor de x na superfície é zero e aumenta a medida que avança-se em profundidade no sólido
t = o imediatamente antes da difusão 
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SEGUNDA LEI DE FICK uma possível solução para difusão planar
- Cs = Concentração dos átomos se difundindo na superfície
- Co = Concentração inicial
- C(X,t) = Concentração na distância x em relação ao tempo
- D = Coeficiente de difusão
- t = tempo
C (X, t) = Cs – (Cs – Co) erf [ X / 2 (Dt)1/2 ]
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DIFUSÃO
Cx = (Cs – Co) / 2
Erf [ Xp / 2 (Dt)1/2 ] = 0,5
PARA
Xp = 0,96 ( Dt )1/2
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Soluto penetra com o tempo
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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
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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
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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.
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Processos de Nitretação
A Gás
Líquida ou em Banho
de Sal
Por Plasma
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A- NITRETAÇÃO À GÁS
Este processo é usado especialm/e 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.
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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.
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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
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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)
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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.
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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.
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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
Nitretação à plasma - LAMEF - UFRGS
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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
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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
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2.3- CIANETAÇÃO
Vantagens em relação a cementação:
Maior rapidez
Maior resistência ao desgaste e a corrosão
Menor temperatura de processo
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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
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2.4- CARBO-NITRETAÇÃO
Deve-se posteriormente temperar as peças em óleo e revenir
Tempo de 1 hora 0,1 mm de camada endurecida
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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 resistência ao desgaste
Menor distorção
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2.5- BORETAÇÃO
Consiste na introdução de Boro por difusão
Ocorre em meio sólido, basicamente.
B4C + ATIVADOR

BORETO DE FERRO que é um composto duro
(DUREZA VICKERS: 1700-2000)
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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.
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BORETAÇÃO SÓLIDA
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BORETAÇÃO GASOSA
Alto custo
Boretação Gasosa Gás 100X mais venenoso que o cianogênio.
Em função disto usada em situações especiais
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BORETAÇÃO LÍQUIDA
 Utiliza banho de sais não tóxicos
 Dificuldade de introduzir o boro, por formar camadas bifásicas contendo Fe2B e FeB
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COMPARAÇÃO ENTRE TRATAM/os TEMOQUÍMICOS
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VANTAGENS E DESVANTAGENS DOS TRAT. TERMOQ.
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