Tratamentos Termoquímicos [9]

Tratamentos Termoquímicos [9] 

‣ Projeto mecânico 

resistência ao desgaste 

+ tenacidade 

Visualização das tensões no contato mecânico 

entre engrenagens cilíndricas de dentes retos 

(efeito fotoelástico). 

formação de uma 

superfície dura com 

núcleo tenaz 

endurecimento 

superficial 

• Têmpera 

superficial 

• Tratamentos 

termoquímicos 

1>

Tratamentos Termoquímicos 

‣ Têmpera superficial por aquecimento indutivo: 

http://www.youtube.com/watch?v=zR9shiuntMY 

2>


‣ Tratamentos termoquímicos: promover o endurecimento 

superficial através do enriquecimento de intersticiais (C,N) por 

difusão atômica, seguida de têmpera normalmente em óleo. 

Processos industriais: 

• Cementação (C) 

• Nitretação (N) 

• Carbonitretação (C,N) 

• Cianetação (C,N) 

sólida 

líquida 

gasosa 

plasma (iônica) 

3>


‣ Fluxo de átomos 

(J) 

quantidade de átomos por unidade 

de tempo por unidade de área. 

Primeira Lei de Fick: 

- cálculo da difusão estacionária 

(fluxo constante) 

área 

unitária 

dc ⎡átomos 

J = −D 

⋅ 

⎢ 2 

dx ⎣ m ⋅ s 

⎤ 

⎥ 

⎦ 

D – coeficiente de difusão 

D = f(freqüência e deslocamento) 

[D] = [m 2 .s -1 ] 

4>


‣ Segunda Lei de Fick considera as variações de fluxo / 

concentração ao longo do tempo. 

∂c 

∂t 

= 

∂ 

∂x 

⎛ 

⎜D 

⎝ 

⋅ 

∂c 

∂x 

⎞ 

⎟ 

⎠ 

fluxo J 

Solução: 

c = 

c 

o 

⋅ 

⎛ 

erfc⎜ 

⎝ 

x 

2 ⋅ D ⋅ t 

sendo c o a concentração inicial, erfc a função erro complementar, 

D o coeficiente de difusão e t o tempo. 

5> 

⎞ 

⎟ 

⎠


‣ Variação do coeficiente de difusão D no ferro: 

Coeficiente de difusão D [m 2 /s] 

1E-10 

1E-11 

1E-12 

1E-13 

1E-14 

1E-15 

1E-16 

1E-17 

1E-18 

1E-19 

1E-20 

1E-21 

D 

= 

C 

Ti 

Fe 

C 

Ti 

Fe 

Fe γ 

Fe α 

Do 

austenita 

Fe γ 

⎛ − Q 

⋅ exp⎜ 

⎝ R ⋅ T 

ferrita 

Fe α 

⎞ 

⎟ 

⎠ 

500 600 700 800 900 1000 1100 1200 13001400 

Temperatura [ o C] 

6>


‣ Exemplo da difusão de carbono através da superfície: 

concentração 

de 

carbono 

superfície 

centro 

austenita 

7>


‣ 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 1,5mm 

• durezas superficiais 50 – 65 HRC 

• processos 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”) 

8>


‣ Vacuum Carburizing and Heat treating: 

http://www.youtube.com/watch?v=pYQuqNFG2ro 

9>


‣ Cementação em caixa: 

C + O 2 → CO 2 

CO 2 + C → 2CO 

3 Fe + 2CO → Fe C + 

3 CO 2 

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. 

BaCO 

BaO 

+ 

3 

+ 

CO 

C 

2 

⇔ 

⇔ 

BaO 

+ 

BaCO 

BaCO 3 – 5 a 20% 

3 

2CO 

10>


‣ 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 disponibilidade 

de carbono seja 1,5% na superfície temos: 

c o 

c 

0,25 

co 

⎡ ⎛ xc 

⎞⎤ 

= ≈ 0,17 sendo = ⎢1 

− erf⎜ 

⎟⎥ 1,5 

c ⎣ ⎝ 2 D ⋅ t ⎠ ⎦ 

⎛ xc 

⎞ 

xc 

erf⎜ 

⎟ ≈ 0,83 → ≈ 0,97 

⎝ 2 D ⋅ t ⎠ 

2 D ⋅ t 

Usando tabelas 

Considerando os dados de difusividade do carbono temos 

D 

γ 

= 

0,10 ⋅ 10 

3 

⎛ 135,7 10 ⎞ 

exp⎜ 

− ⋅ 

⎟ 

8,314 (1000 273) 

⎝ ⋅ + ⎠ 

−4 −11 

⋅ 

≈ 

2,7 ⋅ 10 

Logo, a espessura da camada cementada será estimada em 

m 

2 

/ 

s 

x 

c 

= 

0,97 

⋅ 

2 

⋅ 

(2,7 

⋅ 

10 

−11 

) 

⋅ 

(3600) 

→ 

x 

c 

≈ 

0,6mm 

11>


‣ Camada cementada: 

30 mm 

Micrografia de camada cementada, 

conseguida após 4 horas a 1000°C, 

mostrando visível gradiente de 

concentração pela presença da 

cementita. Ataque: nital. 

. 

Macrografia de uma engrenagem 

mostrando camada cementada com 

trincas resultantes de tratamento. 

Ataque: reativo de iodo. 

superfície 

0,4 mm 

12>


‣ Efeito da temperatura e tempo na cementação: 

950°C 

925°C 

900°C 

875°C 

850°C 

825°C 

13>


‣ Dureza e profundidade da camada cementada: 

Aços: 

• 1020 (C) 

• 4620 

(Ni, Mo) 

• 8620 

(Ni, Cr, Mo) 

14>


‣ Nitretação: enriquecimento da superfície com nitrogênio, 

utilizando meios gasosos ou líquidos nitrogenados 

que contribuem para a formação de Fe 2 N. 

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; 

15>


‣ Nitretação em meio gasoso: 

2 NH → 2N + 

3 

3 H 2 

‣ Nitretação em meio líquido: 

• sais de sódio: Na(CN); Na 2 CO 3 ; Na(CNO); 

• sais de potássio: K(CN); K 2 CO 3 ; K(CNO); KCl; 

 

16>


‣ Nitretação a Plasma (PN) - mistura gasosa: 80% H 2 + 20% N 2 (v/v) 

• pressão na câmara: 500Pa (5mBar) a 400 - 500°C durante 5 horas. 

‣ Nitrocementação a Plasma (PNC) - 77% H 2 + 20% N 2 + 3% CH 4 (v/v) 

• pressão na câmara: 500Pa (5mBar) a 400 - 500°C durante 5 horas. 

Plasma: The 4th State of Matter 

http://www.youtube.com/watch?v=VkeSI_B5Ljc 

17>


‣ Nitretação (PN)/Nitrocementação (PNC) em aço inoxidável superaustenítico: 

e = 4,5 ± 0,3μm e = 10,0 ± 1,0μm e = 22,0 ± 2,0μm 

Fernandes et al. EBRATS (2012) 

e = 10,1 ± 0,5μm e = 20,0 ± 2,0μm e = 31,0 ± 3,0μm 

• 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). 

18>


‣ 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. 

19>


‣ Cianetação: enriquecimento da superfície com carbono e 

nitrogênio, utilizando um banho de cianeto fundido ou 

uma 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). 

20>


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: Heat 

Treating. 10th ed., 1991. 

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/ 

21

Tratamentos Termoquímicos [9]

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