Tratamentos Termoquímicos [9]
Tratamentos TermoquÃmicos [9] - DEM - Unesp
Tratamentos TermoquÃmicos [9] - DEM - Unesp
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<strong>Tratamentos</strong> <strong>Termoquímicos</strong> [9]<br />
‣ Projeto mecânico<br />
resistência ao desgaste<br />
+ tenacidade<br />
Visualização das tensões no contato mecânico<br />
entre engrenagens cilíndricas de dentes retos<br />
(efeito fotoelástico).<br />
formação de uma<br />
superfície dura com<br />
núcleo tenaz<br />
endurecimento<br />
superficial<br />
• Têmpera<br />
superficial<br />
• <strong>Tratamentos</strong><br />
termoquímicos<br />
1>
<strong>Tratamentos</strong> <strong>Termoquímicos</strong><br />
‣ Têmpera superficial por aquecimento indutivo:<br />
http://www.youtube.com/watch?v=zR9shiuntMY<br />
2>
<strong>Tratamentos</strong> <strong>Termoquímicos</strong><br />
‣ <strong>Tratamentos</strong> termoquímicos: promover o endurecimento<br />
superficial através do enriquecimento de intersticiais (C,N) por<br />
difusão atômica, seguida de têmpera normalmente em óleo.<br />
Processos industriais:<br />
• Cementação (C)<br />
• Nitretação (N)<br />
• Carbonitretação (C,N)<br />
• Cianetação (C,N)<br />
sólida<br />
líquida<br />
gasosa<br />
plasma (iônica)<br />
3>
<strong>Tratamentos</strong> <strong>Termoquímicos</strong><br />
‣ Fluxo de átomos<br />
(J)<br />
quantidade de átomos por unidade<br />
de tempo por unidade de área.<br />
Primeira Lei de Fick:<br />
- cálculo da difusão estacionária<br />
(fluxo constante)<br />
área<br />
unitária<br />
dc ⎡átomos<br />
J = −D<br />
⋅<br />
⎢ 2<br />
dx ⎣ m ⋅ s<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
D – coeficiente de difusão<br />
D = f(freqüência e deslocamento)<br />
[D] = [m 2 .s -1 ]<br />
4>
<strong>Tratamentos</strong> <strong>Termoquímicos</strong><br />
‣ Segunda Lei de Fick considera as variações de fluxo /<br />
concentração ao longo do tempo.<br />
∂c<br />
∂t<br />
=<br />
∂<br />
∂x<br />
⎛<br />
⎜D<br />
⎝<br />
⋅<br />
∂c<br />
∂x<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
fluxo J<br />
Solução:<br />
c =<br />
c<br />
o<br />
⋅<br />
⎛<br />
erfc⎜<br />
⎝<br />
x<br />
2 ⋅ D ⋅ t<br />
sendo c o a concentração inicial, erfc a função erro complementar,<br />
D o coeficiente de difusão e t o tempo.<br />
5><br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠
<strong>Tratamentos</strong> <strong>Termoquímicos</strong><br />
‣ Variação do coeficiente de difusão D no ferro:<br />
Coeficiente de difusão D [m 2 /s]<br />
1E-10<br />
1E-11<br />
1E-12<br />
1E-13<br />
1E-14<br />
1E-15<br />
1E-16<br />
1E-17<br />
1E-18<br />
1E-19<br />
1E-20<br />
1E-21<br />
D<br />
=<br />
C<br />
Ti<br />
Fe<br />
C<br />
Ti<br />
Fe<br />
Fe γ<br />
Fe α<br />
Do<br />
austenita<br />
Fe γ<br />
⎛ − Q<br />
⋅ exp⎜<br />
⎝ R ⋅ T<br />
ferrita<br />
Fe α<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
500 600 700 800 900 1000 1100 1200 13001400<br />
Temperatura [ o C]<br />
6>
<strong>Tratamentos</strong> <strong>Termoquímicos</strong><br />
‣ Exemplo da difusão de carbono através da superfície:<br />
concentração<br />
de<br />
carbono<br />
superfície<br />
centro<br />
austenita<br />
7>
<strong>Tratamentos</strong> <strong>Termoquímicos</strong><br />
‣ Parâmetros do processo de cementação:<br />
• Aço com baixo teor de carbono (C < 0,25%);<br />
• Difusão de carbono na austenita;<br />
• Disponibilidade de carbono no meio de cementação;<br />
• temperatura entre 850 a 950°C para ↓ CGγ<br />
‣ Processos industriais para cementação:<br />
• espessuras normalmente inferiores a 1,5mm<br />
• durezas superficiais 50 – 65 HRC<br />
• processos demorados (4 – 10 horas)<br />
• meio gasoso (metano)<br />
• meio líquido (banho de sal fundido, a base de cloretos,<br />
carbonatos e cianeto de sódio)<br />
• meio sólido (carvão moído + catalisador “em caixa”)<br />
8>
<strong>Tratamentos</strong> <strong>Termoquímicos</strong><br />
‣ Vacuum Carburizing and Heat treating:<br />
http://www.youtube.com/watch?v=pYQuqNFG2ro<br />
9>
<strong>Tratamentos</strong> <strong>Termoquímicos</strong><br />
‣ Cementação em caixa:<br />
C + O 2 → CO 2<br />
CO 2 + C → 2CO<br />
3 Fe + 2CO → Fe C +<br />
3 CO 2<br />
O carbono existente no carvão<br />
reage com o oxigênio do ar,<br />
formando o dióxido de carbono.<br />
O carbonato de bário acelera o<br />
fornecimento de monóxido de<br />
carbono, induzindo a formação<br />
de cementita na superfície da<br />
peça cementada.<br />
BaCO<br />
BaO<br />
+<br />
3<br />
+<br />
CO<br />
C<br />
2<br />
⇔<br />
⇔<br />
BaO<br />
+<br />
BaCO<br />
BaCO 3 – 5 a 20%<br />
3<br />
2CO<br />
10>
<strong>Tratamentos</strong> <strong>Termoquímicos</strong><br />
‣ Cementação em aços:<br />
Pretende-se criar uma camada com 0,25%C (no mínimo) após<br />
cementação a 1000°C durante 1 hora. Supondo que a disponibilidade<br />
de carbono seja 1,5% na superfície temos:<br />
c o<br />
c<br />
0,25<br />
co<br />
⎡ ⎛ xc<br />
⎞⎤<br />
= ≈ 0,17 sendo = ⎢1<br />
− erf⎜<br />
⎟⎥ 1,5<br />
c ⎣ ⎝ 2 D ⋅ t ⎠ ⎦<br />
⎛ xc<br />
⎞<br />
xc<br />
erf⎜<br />
⎟ ≈ 0,83 → ≈ 0,97<br />
⎝ 2 D ⋅ t ⎠<br />
2 D ⋅ t<br />
Usando tabelas<br />
Considerando os dados de difusividade do carbono temos<br />
D<br />
γ<br />
=<br />
0,10 ⋅ 10<br />
3<br />
⎛ 135,7 10 ⎞<br />
exp⎜<br />
− ⋅<br />
⎟<br />
8,314 (1000 273)<br />
⎝ ⋅ + ⎠<br />
−4 −11<br />
⋅<br />
≈<br />
2,7 ⋅ 10<br />
Logo, a espessura da camada cementada será estimada em<br />
m<br />
2<br />
/<br />
s<br />
x<br />
c<br />
=<br />
0,97<br />
⋅<br />
2<br />
⋅<br />
(2,7<br />
⋅<br />
10<br />
−11<br />
)<br />
⋅<br />
(3600)<br />
→<br />
x<br />
c<br />
≈<br />
0,6mm<br />
11>
<strong>Tratamentos</strong> <strong>Termoquímicos</strong><br />
‣ Camada cementada:<br />
30 mm<br />
Micrografia de camada cementada,<br />
conseguida após 4 horas a 1000°C,<br />
mostrando visível gradiente de<br />
concentração pela presença da<br />
cementita. Ataque: nital.<br />
.<br />
Macrografia de uma engrenagem<br />
mostrando camada cementada com<br />
trincas resultantes de tratamento.<br />
Ataque: reativo de iodo.<br />
superfície<br />
0,4 mm<br />
12>
<strong>Tratamentos</strong> <strong>Termoquímicos</strong><br />
‣ Efeito da temperatura e tempo na cementação:<br />
950°C<br />
925°C<br />
900°C<br />
875°C<br />
850°C<br />
825°C<br />
13>
<strong>Tratamentos</strong> <strong>Termoquímicos</strong><br />
‣ Dureza e profundidade da camada cementada:<br />
Aços:<br />
• 1020 (C)<br />
• 4620<br />
(Ni, Mo)<br />
• 8620<br />
(Ni, Cr, Mo)<br />
14>
<strong>Tratamentos</strong> <strong>Termoquímicos</strong><br />
‣ Nitretação: enriquecimento da superfície com nitrogênio,<br />
utilizando meios gasosos ou líquidos nitrogenados<br />
que contribuem para a formação de Fe 2 N.<br />
Objetivos:<br />
• obtenção de elevada dureza superficial;<br />
• aumento da resistência ao desgaste e à fadiga;<br />
• melhoria da resistência à corrosão;<br />
Processamento:<br />
• temperatura de tratamento entre 500 a 575°C;<br />
• meio gasoso: camada com 0,65mm após 70 horas;<br />
• meio líquido: resultado anterior em 1 a 3 horas;<br />
15>
<strong>Tratamentos</strong> <strong>Termoquímicos</strong><br />
‣ Nitretação em meio gasoso:<br />
2 NH → 2N +<br />
3<br />
3 H 2<br />
‣ Nitretação em meio líquido:<br />
• sais de sódio: Na(CN); Na 2 CO 3 ; Na(CNO);<br />
• sais de potássio: K(CN); K 2 CO 3 ; K(CNO); KCl;<br />
<br />
16>
<strong>Tratamentos</strong> <strong>Termoquímicos</strong><br />
‣ Nitretação a Plasma (PN) - mistura gasosa: 80% H 2 + 20% N 2 (v/v)<br />
• pressão na câmara: 500Pa (5mBar) a 400 - 500°C durante 5 horas.<br />
‣ Nitrocementação a Plasma (PNC) - 77% H 2 + 20% N 2 + 3% CH 4 (v/v)<br />
• pressão na câmara: 500Pa (5mBar) a 400 - 500°C durante 5 horas.<br />
Plasma: The 4th State of Matter<br />
http://www.youtube.com/watch?v=VkeSI_B5Ljc<br />
17>
<strong>Tratamentos</strong> <strong>Termoquímicos</strong><br />
‣ Nitretação (PN)/Nitrocementação (PNC) em aço inoxidável superaustenítico:<br />
e = 4,5 ± 0,3μm e = 10,0 ± 1,0μm e = 22,0 ± 2,0μm<br />
Fernandes et al. EBRATS (2012)<br />
e = 10,1 ± 0,5μm e = 20,0 ± 2,0μm e = 31,0 ± 3,0μm<br />
• substrato de grãos austeníticos maclados (annealing twins), com 40-80μm e morfologia poligonal típica.<br />
• camada homogênea fina formada a 400°C – ↑ temperatura nitretação promoveu a formação outras fases.<br />
• formação de camadas duras (480-1600HV) sobre substrato SASS com 200HV.<br />
• Nitrocementação (PNC) favoreceu a formação de camadas mais espessas que a nitretação (PN).<br />
18>
<strong>Tratamentos</strong> <strong>Termoquímicos</strong><br />
‣ Camada nitretada:<br />
Micrografia tirada de aço<br />
baixo carbono mostrando<br />
a camada nitretada (branca)<br />
uniforme na superfície.<br />
Gráfico comparativo entre<br />
os diversos processos de<br />
nitretação de aços.<br />
19>
<strong>Tratamentos</strong> <strong>Termoquímicos</strong><br />
‣ Cianetação: enriquecimento da superfície com carbono e<br />
nitrogênio, utilizando um banho de cianeto fundido ou<br />
uma atmosfera gasosa adequada (amônia/metano).<br />
Objetivos:<br />
• obtenção de elevada dureza superficial;<br />
• aumento da resistência ao desgaste e à fadiga;<br />
Processamento:<br />
• aços com baixo carbono ou baixa liga;<br />
• temperatura de tratamento entre 750 a 870°C;<br />
• meio líquido: camada com 0,1 a 0,3mm após 1 hora;<br />
• cuidados operacionais (os cianetos provocam asfixia).<br />
20>
<strong>Tratamentos</strong> <strong>Termoquímicos</strong><br />
Bibliografia:<br />
‣ Alves Jr, C. Nitretação a Plasma: Fundamentos e Aplicações, 2001.<br />
Disponível para download em http://www.labplasma.ct.ufrn.br/index.php?id=5<br />
‣ Chiaverini, V. Aços e Ferros Fundidos. ABM, São Paulo,<br />
5a. ed., 1987, pp. 117-142.<br />
‣ Colpaert, H. Metalografia dos Produtos Siderúrgicos<br />
Comuns. Ed. Edgard Blucher, São Paulo, 1974, pp. 289-298.<br />
‣ Chiaverini, V. <strong>Tratamentos</strong> Térmicos das Ligas Ferrosas.<br />
Assoc. Bras. Metais, São Paulo, 2a. ed., 1987, pp. 99-131.<br />
‣ American Society for Metals. ASM Handbook, Vol. 4: Heat<br />
Treating. 10th ed., 1991.<br />
Notas de aula preparadas pelo Prof. Juno Gallego para a disciplina Lab. Materiais de Construção Mecânica I.<br />
® 2015. Permitida a impressão e divulgação.<br />
http://www.feis.unesp.br/#!/departamentos/engenharia-mecanica/grupos/maprotec/educacional/<br />
21