10 - Endurecimento Superficial - Processos Termoquímicos
10.1 - Introdução 10.1 - Introdução
Os processos de endurecimento superficial são processos que visam a obtenção de Os processos de endurecimento superficial são processos que visam a obtenção de peças
peças de de aço aço dotadas dotadas de de uma uma fina fina camada camada superficial superficial de de elevada elevada dureza, dureza, mantendo mantendo aoao mesmo tempo um núcleo com dureza relativamente baixa. Como conseqüência teremos mesmo tempo um núcleo com dureza relativamente baixa. Como conseqüência teremos uma camada superficial com alta resistência ao desgaste, alta resistência a esforços de uma camada superficial com alta resistência ao desgaste, alta resistência a esforços de compressão e alta resistência à fadiga. Em contrapartida, pelo fato de termos um núcleo de compressão e alta resistência à fadiga. Em contrapartida, pelo fato de termos um núcleo de dureza baixa, teremos uma peça com boa
dureza baixa, teremos uma peça com boa tenacidade.tenacidade.
Os processos de endurecimento superficial podem ser divididos em duas categorias Os processos de endurecimento superficial podem ser divididos em duas categorias distintas, aqueles que envolvem alteração da composição química da camada superficial distintas, aqueles que envolvem alteração da composição química da camada superficial (cementação e
(cementação e nitretação) nitretação) e aqueles qe aqueles que envolvem ue envolvem o rápido aqueco rápido aquecimento e a imento e a têmperatêmpera posterior desta mesm
posterior desta mesma camada a camada ( têmpera por chama( têmpera por chama, têmpera por indução, têmpera por indução).). Neste
Neste capítulo capítulo veremos veremos os os processos processos que que envolvem a envolvem a modificação da modificação da composiçãocomposição química da cama
química da camada superficial e no da superficial e no capítulo seguinte vecapítulo seguinte veremos os procesremos os processos em que sos em que nãonão existe alteração de composição química.
existe alteração de composição química.
10.2 - Cementação 10.2 - Cementação
O processo de endurecimento superficial de cementação é o processo mais util
O processo de endurecimento superficial de cementação é o processo mais utilizadoizado atualmente e tem permanecido praticamente inalterado ao longo do tempo. Este processo é atualmente e tem permanecido praticamente inalterado ao longo do tempo. Este processo é geralmente utilizado na produção de pistas e roletes de rolamento, engrenagens, buchas e geralmente utilizado na produção de pistas e roletes de rolamento, engrenagens, buchas e juntas
juntas homocinéticas. O homocinéticas. O método consiste método consiste essencialmente no essencialmente no aquecimento da aquecimento da peça envoltapeça envolta em um meio rico em carbono, fazendo com que o carbono difunda para o interior em um meio rico em carbono, fazendo com que o carbono difunda para o interior aumentando o teor de carbono da
aumentando o teor de carbono da camada superficial.camada superficial.
A principal reação, que ocorre entre o carbono e o ferro, e que é a responsável pela A principal reação, que ocorre entre o carbono e o ferro, e que é a responsável pela difusão do carbono para o interior da peça, pode ser r
difusão do carbono para o interior da peça, pode ser representada da seguinte maneira:epresentada da seguinte maneira: 3Fe +C
3Fe +C →→ FeFe33CC
Após a difusão do carbono é feita uma têmpera seguida de revenido para que se Após a difusão do carbono é feita uma têmpera seguida de revenido para que se produza a máxim
produza a máxima dureza.a dureza.
Como o processo envolve a difusão do carbono, é necessário que se dê o tempo Como o processo envolve a difusão do carbono, é necessário que se dê o tempo necessário para que isto ocorra. Tempos crescentes propiciam maiores espessuras das necessário para que isto ocorra. Tempos crescentes propiciam maiores espessuras das camadas cementadas. Como conseqüência
camadas cementadas. Como conseqüência, teremos um , teremos um perfil de perfil de dureza associado ao perfildureza associado ao perfil de concentração de carbono, como pode ser visto na figura 10.1. Os aços comumente de concentração de carbono, como pode ser visto na figura 10.1. Os aços comumente
utilizados possuem 0,10 a 0,25% C e a temperatura varia entre 900 e 950
utilizados possuem 0,10 a 0,25% C e a temperatura varia entre 900 e 950 ooC emboraC embora possam ser utilizadas
possam ser utilizadas temperaturas na faixa temperaturas na faixa de 850 a 1000de 850 a 1000ooC.C.
A máxima dureza atingida depois da têmpera nos aços ao carbono ocorre para um A máxima dureza atingida depois da têmpera nos aços ao carbono ocorre para um teor de carbono de 0,8%, como pode ser visto na figura
teor de carbono de 0,8%, como pode ser visto na figura 10.2. Para teores superiores a este a10.2. Para teores superiores a este a dureza cai devido à retenção de austenita. Este percentual pode variar para aços que dureza cai devido à retenção de austenita. Este percentual pode variar para aços que tenham maior tendência à retenção de austenita, como acontece com os aços contendo tenham maior tendência à retenção de austenita, como acontece com os aços contendo níquel. Como resultado da retenção da austenita poderemos ter a situação mostrada na níquel. Como resultado da retenção da austenita poderemos ter a situação mostrada na figura 10.3, em que se tem uma dureza mais baixa na superfície da peça.
figura 10.3, em que se tem uma dureza mais baixa na superfície da peça.
10.2.1 - Principais Variáveis do
10.2.1 - Principais Variáveis do ProcessoProcesso
O processo de cementação, conforme já foi comentado acima, depende de vários O processo de cementação, conforme já foi comentado acima, depende de vários fatores que exercem influência tanto na espessura da camada cementada como na fatores que exercem influência tanto na espessura da camada cementada como na profundidade do endurecimento. Abaixo descrevemos resumidam
profundidade do endurecimento. Abaixo descrevemos resumidamente estes fatores e ente estes fatores e comocomo eles influenciam o processo.
eles influenciam o processo.
Figura 10.1 -
Figura 10.2 -
Figura 10.2 - Dureza das ligas Fe-C Dureza das ligas Fe-C temperadas em salmouratemperadas em salmoura(9)(9)..
10.2.1.1- Efeito da Temperatura 10.2.1.1- Efeito da Temperatura
A velocidade de difusão do carbono no aço está estreitamente ligada à temperatura. A velocidade de difusão do carbono no aço está estreitamente ligada à temperatura. A velocidade de difusão do carbono a 927
A velocidade de difusão do carbono a 927ooC é 40% superior do que a 871C é 40% superior do que a 871ooC, como ficaC, como fica evidenciado na figura 10.4. Fica claro neste caso que quanto maior a temperatura menor o evidenciado na figura 10.4. Fica claro neste caso que quanto maior a temperatura menor o tempo que a peça terá que permanecer no forno. Estes dados referem-se ao aço no estado tempo que a peça terá que permanecer no forno. Estes dados referem-se ao aço no estado austenítico, e só poderia ser assim, já que somente no estado austenítico teremos austenítico, e só poderia ser assim, já que somente no estado austenítico teremos solubilidade do carbono suficiente para se chegar aos percentuais utilizados na camada solubilidade do carbono suficiente para se chegar aos percentuais utilizados na camada superficial de peças cementadas. Neste caso, o limite inferior de temperatura para o superficial de peças cementadas. Neste caso, o limite inferior de temperatura para o processo está
processo está condicionado à condicionado à austenitização do austenitização do aço aço e e o o limite limite superior superior está está condicionadocondicionado ao crescimento do grão. Se por um lado temos um aumento significativo da velocidade de ao crescimento do grão. Se por um lado temos um aumento significativo da velocidade de difusão com o aumento da temperatura, por outro
difusão com o aumento da temperatura, por outro temos o crescimento do grão da austenitatemos o crescimento do grão da austenita à medida em que usamos temperaturas mais altas. Como quanto maior o tamanho de grão à medida em que usamos temperaturas mais altas. Como quanto maior o tamanho de grão menor é a tenacidade do material, este efeito se torna
menor é a tenacidade do material, este efeito se torna indesejado.indesejado.
Assim, temos dois compromissos que são antagônicos: ao aumentarmos a Assim, temos dois compromissos que são antagônicos: ao aumentarmos a temperatura aumentamos a velocidade de difusão mas também aumentamos o tamanho de temperatura aumentamos a velocidade de difusão mas também aumentamos o tamanho de grão. Isto faz
grão. Isto faz com que tenhamos sempre que considerar estes dois fatores com que tenhamos sempre que considerar estes dois fatores ao escolhermos aao escolhermos a temperatura de cementação.
temperatura de cementação.
Para peças menos solicitadas e de menor responsabilidade podemos utilizar Para peças menos solicitadas e de menor responsabilidade podemos utilizar temperaturas mais altas, entretanto, para peças mais solicitadas devemos utilizar temperaturas mais altas, entretanto, para peças mais solicitadas devemos utilizar temperaturas mais baixas, a menos que se faça um tratamento térmico posterior para temperaturas mais baixas, a menos que se faça um tratamento térmico posterior para corrigir este problema. Este assunto será tratado no tópico relativo
Figura 10.3 -
Figura 10.3 - Dureza da camada cementada de um aço SAE 8620 cementado em caixa aDureza da camada cementada de um aço SAE 8620 cementado em caixa a 925
925°°C por 16 h e C por 16 h e revenido 1 h a 205revenido 1 h a 205°°CC(10)(10)..
10.2.7.2 – Efeito do Tempo 10.2.7.2 – Efeito do Tempo
A difusão do carbono também é influenciada pelo tempo em que a peça fica na A difusão do carbono também é influenciada pelo tempo em que a peça fica na temperatura de tratamento. A profundidade da
temperatura de tratamento. A profundidade da camada cementada é dependente da seguintecamada cementada é dependente da seguinte equação:
equação:
Prof. de Cementação =
Prof. de Cementação = K K t t
Como podemos ver a profundidade atingida no processo é proporcional à raiz Como podemos ver a profundidade atingida no processo é proporcional à raiz quadrada do tempo. Isto quer dizer que à medida em que desejarmos profundidades quadrada do tempo. Isto quer dizer que à medida em que desejarmos profundidades maiores, maior será o tempo de tratamento e a cada vez que dobrarmos a espessura de maiores, maior será o tempo de tratamento e a cada vez que dobrarmos a espessura de cementação o tempo é multiplicado por 4 aproximadamente. Na figura 10.4 temos esta cementação o tempo é multiplicado por 4 aproximadamente. Na figura 10.4 temos esta relação para um caso prático
relação para um caso prático da relação do tempo com da relação do tempo com a profundidade de cementação.a profundidade de cementação. Como podemos ver quanto maior a profundidade que se queira maior será a Como podemos ver quanto maior a profundidade que se queira maior será a consumo de energia e a ocupação do equipamento, fazendo com que este processo se torne consumo de energia e a ocupação do equipamento, fazendo com que este processo se torne antieconômico p
antieconômico para camadaara camadas de profundidas de profundidade muito grande muito grande. de. Em geral na Em geral na prática estaprática esta espessura está limitada a 2,5mm o que
espessura está limitada a 2,5mm o que já dá um tempo de cementação de aproximadamentejá dá um tempo de cementação de aproximadamente 25 horas a uma temperatura de 925
Figura 10.4 -
Figura 10.4 - Profundidade de cementação versus tempo de cementação para quatroProfundidade de cementação versus tempo de cementação para quatro temperaturas diferentes temperaturas diferentes(10)(10).. 10.2.2 - Processos de Cementação 10.2.2 - Processos de Cementação 10.2.2.1- Cementação em Caixa 10.2.2.1- Cementação em Caixa
A cementação em caixa ou também chamada cementação por via sólida é o A cementação em caixa ou também chamada cementação por via sólida é o processo de
processo de cementação mais cementação mais antigo. Ele antigo. Ele tem tem sido utilisido utilizado até zado até nossos dias nossos dias por que por que é é umum método de fácil execução, não necessitando de equipamento sofisticado.
método de fácil execução, não necessitando de equipamento sofisticado. Neste
Neste processo processo são são utilizados utilizados como como fonte fonte de de carbono carbono materiais materiais sólidos sólidos àà temperatura ambiente, embora todas as reações que ocorrem durante a cementação sejam temperatura ambiente, embora todas as reações que ocorrem durante a cementação sejam gasosas. Para a execução do processo as peças são colocadas em uma caixa e envoltas pela gasosas. Para a execução do processo as peças são colocadas em uma caixa e envoltas pela mistura cementante que normalmente é composta de uma fonte de carbono - carvão mistura cementante que normalmente é composta de uma fonte de carbono - carvão vegetal, coque ou osso - e de um ativador - carbonato de bário ou carbonato de sódio. A vegetal, coque ou osso - e de um ativador - carbonato de bário ou carbonato de sódio. A caixa deve ser fechada o melhor possível, podendo-se para isto usar argila ou barro caixa deve ser fechada o melhor possível, podendo-se para isto usar argila ou barro refratário, para que haja o mínimo escapamento possível dos gases gerados no interior da refratário, para que haja o mínimo escapamento possível dos gases gerados no interior da caixa. A quantidade de ativador pode ser variada e sua quantidade não parece ter uma caixa. A quantidade de ativador pode ser variada e sua quantidade não parece ter uma importância muito grande desde que se situe em uma faixa de 5 a 20 % em peso da importância muito grande desde que se situe em uma faixa de 5 a 20 % em peso da mistura.
mistura.
As reações que ocorrem durante o processo de cementação é que irão determinar As reações que ocorrem durante o processo de cementação é que irão determinar qual o potencial de carbono que iremos ter na superfície do aço. Estas reações são qual o potencial de carbono que iremos ter na superfície do aço. Estas reações são influenciadas pela temperatura e pela quantidade de ativador utilizado. Inicialmente temos influenciadas pela temperatura e pela quantidade de ativador utilizado. Inicialmente temos a reação do carbono da fonte de carbono com o oxigênio aprisionado na caixa, formando a reação do carbono da fonte de carbono com o oxigênio aprisionado na caixa, formando CO
CO22, , e na cone na continuação a setinuação a seguinte reação:guinte reação:
CO
Esta reação é na realidade reversível, mas à medida em que o tempo decorre cada Esta reação é na realidade reversível, mas à medida em que o tempo decorre cada vez mais monóxido de carbono é formado, e desta forma teremos a reação deslocada vez mais monóxido de carbono é formado, e desta forma teremos a reação deslocada sempre para direita o que é impres
sempre para direita o que é imprescindível para que tenhamcindível para que tenhamos cementaçãos cementação. o. Na superfícieNa superfície do aço ocorre a
do aço ocorre a dissociação do monóxido de carbono:dissociação do monóxido de carbono: 2CO
2CO →→ COCO22 + + C C (2)(2)
Embora esta reação também seja reversível, é necessário que a mesma esteja Embora esta reação também seja reversível, é necessário que a mesma esteja deslocada para a direita para que tenhamos carbono livre que possa difundir para o interior deslocada para a direita para que tenhamos carbono livre que possa difundir para o interior da peça.
da peça. No prosseguimeNo prosseguimento do tratamento nto do tratamento o COo CO22reage novamente com o carbono atravésreage novamente com o carbono através
da reação (1), repetindo-se o ciclo enquanto durar o processo. da reação (1), repetindo-se o ciclo enquanto durar o processo.
A função do ativador, diferente do que possa parecer de início, não é a de ser fonte A função do ativador, diferente do que possa parecer de início, não é a de ser fonte de carbono, mas sim fonte de oxigênio. Ocorre que a quantidade de oxigênio aprisionada de carbono, mas sim fonte de oxigênio. Ocorre que a quantidade de oxigênio aprisionada na caixa pode não ser suficiente para que se atinja o potencial de carbono que se deseja e na caixa pode não ser suficiente para que se atinja o potencial de carbono que se deseja e neste caso teremos que fornecer uma quantidade adicional de oxigênio que será utilizada neste caso teremos que fornecer uma quantidade adicional de oxigênio que será utilizada para a geração de
para a geração de dióxido de carbono dióxido de carbono através da seguinte reatravés da seguinte reação:ação: BaCO
BaCO33→→ BaO + COBaO + CO22 (3)(3)
Pode-se ver, portanto, que o carbonato de bário propicia a formação de uma Pode-se ver, portanto, que o carbonato de bário propicia a formação de uma quantidade maior de dióxido de carbono que por sua vez irá se combinar com mais quantidade maior de dióxido de carbono que por sua vez irá se combinar com mais carbono da fonte, conforme a reação (1),
carbono da fonte, conforme a reação (1), seguindo-se após a reação (2) que irá completar oseguindo-se após a reação (2) que irá completar o ciclo de geração de carbono livre na superfície da peça. Desta forma teremos uma maior ciclo de geração de carbono livre na superfície da peça. Desta forma teremos uma maior quantidade de monóxido de carbono gerada e por conseqüência um maior teor de carbono quantidade de monóxido de carbono gerada e por conseqüência um maior teor de carbono na superfície.
na superfície.
As equações acima revelam a importância do fechamento da caixa, pois caso a As equações acima revelam a importância do fechamento da caixa, pois caso a quantidade de oxigênio fosse ilimitada as reações tenderiam a se deslocar para o sentido quantidade de oxigênio fosse ilimitada as reações tenderiam a se deslocar para o sentido contrário, fazendo com que o
contrário, fazendo com que o processo de cementação deixasse de existir.processo de cementação deixasse de existir.
10.2.2.2- Cementação por Via Gasosa 10.2.2.2- Cementação por Via Gasosa
A cementação por via gasosa é
A cementação por via gasosa é um processo que se popularizou nas últum processo que se popularizou nas últimas décadasimas décadas devido à evolução dos fornos de tratamento e dos métodos de análise química. Neste devido à evolução dos fornos de tratamento e dos métodos de análise química. Neste processo são utilizados
processo são utilizados gases como fonte gases como fonte de carbono, os de carbono, os quais podem ser quais podem ser o gás o gás natural ounatural ou gases manufaturados, tais como o monóxido de carbono e o metano. As reações que gases manufaturados, tais como o monóxido de carbono e o metano. As reações que ocorrem para a decomposição dos gases são as
ocorrem para a decomposição dos gases são as mostradas abaixo:mostradas abaixo: 2CO
2CO →→ C + COC + CO22 (5)(5)
para a decomp
CH CH44→→ C + 2HC + 2H22 (6)(6) seguindo-se seguindo-se CO + H CO + H22→→ C + HC + H22O O (7)(7)
A mistura adequada destes gases irá nos permitir controlar o potencial de carbono A mistura adequada destes gases irá nos permitir controlar o potencial de carbono na superfície do aço, o que faz com que a quantidade de cada um deles tenha que ser na superfície do aço, o que faz com que a quantidade de cada um deles tenha que ser permanentemente
permanentemente analisada.analisada. As reações já
As reações já citadas de decomposição do monóxido de carbono são as reações quecitadas de decomposição do monóxido de carbono são as reações que se processam a seguir para
se processam a seguir para que tenhamos o processo completo.que tenhamos o processo completo.
10.2.2.3- Cementação por Via Líquida 10.2.2.3- Cementação por Via Líquida
A cementação por via líquida ou em banho de sais fundidos é um processo em que A cementação por via líquida ou em banho de sais fundidos é um processo em que se tem um banho formado por diversos componentes que passam para o estado líquido se tem um banho formado por diversos componentes que passam para o estado líquido após uma determinada temperatura. Este processo é ainda hoje bastante utilizado, embora após uma determinada temperatura. Este processo é ainda hoje bastante utilizado, embora existam uma série de restrições de ordem ambiental para a sua utilização.
existam uma série de restrições de ordem ambiental para a sua utilização.