15.0- TRAT.S TERMOQUÍMICOS 16.2

TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS

 Cementação.

 Nitretação;

 Carbonitretação.

Propriedades Tribológicas

resistência aos diversos tipos de desgaste (desgaste abrasivo, desgaste adesivo, desgaste erosivo, etc.); coeficiente de atrito do material.

TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS

Definição

São tratamentos que visam o

endurecimento superficial do aço através

da difusão de elementos como:

C (carbono), N (nitrogênio) ou B (boro),

formando carbonetos, nitretos ou boretos,

respectivamente.

Cementação

Cementação

• Os carburantes podem ser sólidos, (grãos ou pós),

líquidos ou gasosos. A qualidade dos carburantes influi na rapidez com que se forma a camada.

Após a cementação tempera-se a peça; as partes externas adquirem elevada dureza enquanto as partes internas

Cementação

Fases da cementação

1ª Fase: Aquecimento

- Cementação em caixa:

As peças são colocadas em caixas juntamente com o carburante, fechadas hermeticamente e aquecidas até a temperatura recomendada.

Cementação

Cementação em banho:

As peças são mergulhadas no carburante líquido aquecido, através de cestas ou ganchos.

Cementação

2ª Fase: Manutenção da temperatura – O tempo de

duração desta fase varia de acordo com a espessura da camada que se deseja e da qualidade do carburante

utilizado. (0,1mm a 0,2mm por hora).

3ª Fase: Resfriamento – A peça é esfriada lentamente dentro da própria caixa.

Cementação

Basicamente, o processo consiste em aumentar o teor de carbono de uma fina camada na superfície da peça e

posterior tratamento de têmpera e revenido.

 Assim, se o aço é de baixo carbono, apenas a

camada superficial é endurecida e o interior mantém as características de ductilidade e tenacidade.

 Isso proporciona uma combinação das propriedades desejáveis de resistência ao desgaste e estabilidade estrutural.

História

Há cerca de 100 anos, o tratamento térmico dos aços era certamente uma arte já que a ciência por trás dele estava somente começando a ser entendida.

O controle do tamanho de grão na cementação estava

tornando-se possível com os trabalhos de McQuaid e Ehn. Eles descobriram que pequenas adições de alumínio

manteriam o pequeno tamanho de grão após longas

exposições, geralmente de 8 a 10 horas na temperatura de cementação.

Antes disso, estruturas de grãos grosseiros podiam ser observadas nas camadas cementadas o que iniciaria uma fratura frágil intergranular sob cargas mínimas.

Cementação

A difusão é proporcionada pelo carbono fornecido por algum meio, em temperaturas nas quais ela possa ocorrer.

CEMENTAÇÃO

 Cementação

 Processo de transformação superficial que se dá

através da concessão de carbono do meio carburizante para a superfície da peça formando Fe₃C (cementita), a uma temperatura de 900 a 950 ºC.

 Deixa, desse modo, o aço dúctil e tenaz.  Exemplos de reação:

 2C + O₂ 2CO

CEMENTAÇÃO

Cementação Líquida

 Neste processo, as peças são mantidas submersas em

um banho de sal fundido a base de cianeto e cloreto de Na, Ba e K.

 Cementação Gasosa

 Neste processo, o responsável pela oferta de carbono

é um gás. Normalmente, um gás endotérmico enriquecido com propano.

 Cementação Sólida

 Neste processo, as peças são colocadas em caixas de

CEMENTAÇÃO

• _{Aquecimento em conjunto com uma substância em} carbono permitindo a difusão do © para o aço.

• _{Aumentar a dureza e resistência ao desgaste superficial} (por fricção ou atrito), enquanto mantém o núcleo (miolo) do material ainda dúctil.

Forno Câmara – Cementação gasosa

CEMENTAÇÃO

Todos os aços cementados devem ser temperados. Pode-se temperar de três maneiras:

Têmpera simples

Consiste em temperar o material normalmente após tê-lo cementado e resfriado ao ar.

Têmpera direta

Consiste em resfriar rápido, diretamente da temperatura de cementação.

Têmpera dupla

A partir da temperatura de austenitização do núcleo, para refiná-lo, em seguida na temperatura de austenitização da camada cementada.

Tratamentos Granulação

inicial do aço Camada cementada Núcleo

A Têmpera simples

Fina Estrutura fina Estrutura grosseira

B Têmpera simples

Fina Estrutura ligeiramente

grosseira Estrutura parcialmente refinada C

Têmpera simples

Fina Estrutura ligeiramente

groseira Estrutura refinada

Tempo

Representação de vários tratamentos possíveis de têmpera após a cementação

Tratamentos Granulação

inicial do aço Camada cementada Núcleo D

Têmpera dupla Grosseira Estrutura refinada Estrutura refinada

E

Têmpera dupla Fina Estrutura não refinada Estrutura não refinada F

Têmpera simples Fina Estrutura refinada Estrutura grosseira mole, tenaz e usinável Representação de vários tratamentos possíveis de têmpera após a cementação

Tempo

TÊMPERA DUPLA, COM RESFRIAMENTO LENTO

APÓS A CEMENTAÇÃO

Reduz a ocorrência de austenita retida. É o ciclo que possibilita o maior refino de grãos do núcleo de da camada cementada.

Requer dois aquecimentos adicionais até as temperaturas de têmpera em meio que proteja a peça contra descarbonetação. Favorece a

ocorrência de deformações pelas sucessivas sequências de aquecimento e resfriamento

• _{Tratamento termoquímico} de endurecimento superficial, baseado na introdução de nitrogênio em sua superfície. • _{O processo se realiza,} expondo a peça em uma atmosfera do forno rica em nitrogênio.

NITRETAÇÃO

NITRETAÇÃO

 Tratamento de endurecimento superficial em que se

introduz o nitrogênio na superfície do aço. Aumenta a resistência ao desgaste, resistência à fadiga, resistência à corrosão e a dureza superficial.

 A temperatura onde se dá o processo de nitretação é

sub-austenítica (500 a 600 ºC), portanto, sem os

problemas de tensões, distorções, e sem necessidade de tratamento posterior.

VANTAGENS E DESVANTAGENS DA NITRETAÇÃO

Vantagens:

- A temperatura de tratamento é inferior à da cementação; - As peças apresentam-se nas dimensões e acabamento finais.

Desvantagens:

- O tempo de permanência é grande;

NITRETAÇÃO

 Consiste em submeter as peças a ação de um meio gasoso rico em nitrogênio, geralmente amônia.

Nitretação em banho de sal (tenifer)

 Consiste em submeter as peças num banho de sal fundido à base de cianeto de sódio e potássio. O resfriamento se faz em água até a temperatura ambiente.  Carbonitretação

 É um tratamento que pode ser entendido como a união de cementação e nitretação. A temperatura é intermediária, cerca de 850 ºC.

 Carbonitretação Gasosa

 Atmosfera gasosa composta de gás endotérmico e amônia. A espessura da camada varia de 0,1 a 0,7 mm.

 Carbonitretação Líquida (Cianetação)

 Tratamento em um forno contendo sal fundido, a base de cianeto, a uma temperatura entre 760 a 870 ºC. A camada varia de 0,1 a 0,3 mm.

NITRETAÇÃO

Aços para nitretação:

Nitralloy Steels Cr, Mo, Al e Ni

Também são utilizados aços com teores de carbono entre 0,13 e 0,40%, podendo ter adições de alumínio

(essencial), cromo, silício, tungstênio e vanádio.

Tratamentos térmicos anteriores:

CARBONITRETAÇÃO

Tratamento termoquímico, em que se promove o

enriquecimento superficial simultâneo com carbono e nitrogênio.

CARBONITRETAÇÃO

carbonitretação é uma forma modificada de cementação e nitretação que consiste na introdução de amônia na atmosfera gasosa.

 O nitrogênio contido na amônia difunde na

superfície da peça, simultaneamente, com o carbono, e abaixa a velocidade critica do resfriamento.

 A carbonitretação é feita com temperatura mais baixa (pelo menos 55oC ou 100oF) e tempo mais curto

CARBONITRETAÇÃO

BORETAÇÃO

 O boro se difunde na superfície do material tratado, formando boreto de ferro.

 Pode-se tratar qualquer tipo de aço.

 A peças são colocadas em uma caixa de aço contendo granulado de boro.

 A temperatura varia de 800 a 1050 ºC.

 O objetivo da boretação é aumentar a dureza

superficial em torno de 1800 a 2000 HV, melhorar a resistência ao desgaste e corrosão de ácidos.

PRÁTICA DE TRATAMENTOS

TERMOQUÍMICOS

NITRETAÇÃO LÍQUIDA - TENIFER

 Instalações para nitretação em banho de sal tipo

“tenifer” (tufftride)

 Conjunto formado por um forno destinado ao pré-aquecimento, um forno para nitretação a 570 ºC em

cadinho de titânio, tanques de água para resfriamento e lavagem e uma cabine fechada com sistema de

FORNOS PARA TRATAMENTOS TÉRMICOS

Fornos de câmara para múltiplas aplicações, tipo “Gruq” ou “Kos”.

Instalações totalmente automáticas, permitindo efetuar

operações de têmpera, cementação e carbonitretação sob atmosfera controlada. Aquecimento elétrico ou a gás,

temperaturas até 950 ºC.

Umas ou duas câmaras de aquecimento. Forno conjugado com máquina de lavar, forno de revenimento e gerador de gás endotérmico.

fornos para tratamentos térmicos

Fornos com Atmosfera Controlada Geradores de Gás

Instalação destinada à obtenção de gás endotérmico, exotérmico, hidrogênio ou amônia dissociada a partir de álcool, hidrocarbonetos ou gás amoníaco.

Aplicações em tratamentos térmicos na formação de

atmosfera protetora ou controlada, sintetização, indústrias químicas, petroquímicas, farmacêuticas, alimentícias, etc.

TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS COMPLEMENTAÇÃO

O potencial de carbono de uma atmosfera carbonetante pode ser diminuído, se desejado, no interior da câmara de cementação

introduzindo-se pequenas quantidades de ar de modo a aumenta o ponto de orvalho (percentagem de água) e o teor de CO₂, de acordo com as seguintes reações:

H₂ + ½ O₂ H₂O CO + ½ O₂ CO₂

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descarbonetante

Aços para cementação e nitretação

• _{Os aços carbono depois de} cementados, temperados e revenidos adquirem núcleo com boa resistência

• _{Nos aços-liga a soma total} de elementos raramente ultrapassa 2%.

• _{Usados em caminhoes,} tratores ônibus e indústria aeronáutica.

 O processo clássico de

nitretação a gás exige a

presença do: alumínio, cromo e molibdênio e eventualmente níquel; facilitam a difusão do nitrogênio; produzem a camada superficial nitretada da espessura adequada;

 Após a nitretação os aços são

prontos para serem utilizados, ou seja, não há tratamento

térmico posterior como ocorre com a cementação.

No sistema de transmissão do projeto BAJA, realizado pelos alunos da Escola Politécnica de Pernambuco, sob nome de Corisco Coyote, houve a adoção de um redutor de dentes helicoidais

Redutor

Para auxiliar na redução de suas medidas, as engrenagens internas foram substituídas, agora compostas por dentes helicoidais, que possuem maior resistência aos esforços, maior vida útil e menor ruído operacional, se comparadas às de dentes retos.

O material utilizado foi o aço SAE 8620 cementado, temperado e revenido para aumento da durabilidade. As engrenagens são vazadas para

reduzir massa inercial, e agora sua lubrificação é feita por fio de óleo, ante a antiga caixa em

que as engrenagens ficavam imersas em 1L de lubrificante.

NITRETAÇÃO A PLASMA - Tendência

 Aplicações:

 Moldes para estampagem de roda, peças internas das bombas de óleo, moldes para peças de alumínio de motores, brinquedos, compressores e outros.

peça

peça

Teperar e Revenir

Teperar e Revenir

Usinagem Fina e/ou Retífica

Usinagem Fina e/ou Retífica

Nitretação a Plasma Nitretação a Plasma Polimento se necessário Polimento se necessário Fim Fim

Faixa de temperatura De 380 a 570ºC.

Controle da composição e espessura

Mistura N₂ + H₂ N₂ + CH₄ N₂ + H₂ + AR Nitretada Nitro-carbonetada Oxi-nitro-carbonetada

Reator para nitretação a plasma pelo Processo IONIT

BRASIMET TRD

TRD ® Ferramenta com alto desgaste submetida ao processo BRASIMET TRD

Brasimet Thermal Reactive Diffusion: tratamento destinado à formação de camada de Carbeto de Vanádio.

Camada:

espessura: 8 a 15 mm dureza: > 4000 HV Propriedades:

alta resistência à abrasão, alta resistência ao desplacamento e alta resistência à corrosão

Aplicações: ferramentas de conformação a frio e a quente, submetidas a elevado desgaste

abrasivo e elementos de máquina, submetidos à abrasão.

EXERCÍCIOS PARA

A PROVA

51- Em função do histórico de resfriamento do material, a nucleação da ferrita a partir da austenita pode ocorrer em planos cristalográficos

específicos, caracterizando uma microestrutura conhecida como ferrita de Widmanstätten. A condição microestrutural típica do aço carbono para o aparecimento da ferrita de Widmanstätten é

(A) de laminado a quente. (B) de laminado a frio.

(C) de temperado e revenido. (D) de temperado, somente. (E) soldado.

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Considerando a curva TTT (Transformação em função de Tempo e Temperatura) do aço ABNT 1050, representada na figura acima, o tratamento térmico que produz uma

microestrutura homogênea e com dureza uniforme de 30 HRC, na direção radial de um eixo de 100 mm de diâmetro, é o resfriamento contínuo de 900 ºC até 500 ºC num tempo

de: _{(A) 103 s.}

(B) 10 s.

(C) 0,5 s, seguido de tratamento isotérmico. (D) 5 s, seguido de tratamento isotérmico. (E) 10 s, seguido de tratamento isotérmico

53- A curva de transformação por resfriamento contínuo (curva CCT,

Continuous Cooling Transformation) do aço ABNT 1540 (1,1% Mn e 0,4% C, em peso) é representada na figura abaixo.

Considerando as taxas de resfriamento de 1700 °C/min (condição G), 1000 °C/min

(condição H), 500 °C/min (condição I),140 °C/min (condição J) e 120 °C/min (condição K), sobre as propriedades mecânicas do material afirma-se que a;

(A) dureza aumenta da condição microestrutural (G) para a (K). (B) ductilidade aumenta da condição microestrutural (G) para a (K).

(C) resistência mecânica aumenta da condição microestrutural (G) para a (K). (D) resistência ao trincamento diminui da condição microestrutural (G) para a (K). (E) fragilização do material aumenta da condição microestrutural (G) para a (K).

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A martensita como temperada é extremamente dura e frágil. Componentes mecânicos com martensita correm risco de falha estrutural, exceto quando

apresentam baixo teor de carbono. Com o objetivo de otimizar a relação entre a resistência mecânica e a tenacidade do material, adota-se, após a têmpera, outro tratamento térmico denominado revenimento. Nessa perspectiva, o revenimento dos aços

(A) consiste em um aquecimento uniforme do material até uma temperatura de austenitização, mantendo-o nessa temperatura por tempo suficiente para a obtenção das propriedades mecânicas desejadas.

(B) fornece condições para haver difusão do carbono, que sairá na condição de supersaturação para se precipitar como carboneto.

(C) promove transformações que podem ser agrupadas em cinco estágios, sendo que no terceiro (200 a 350 ºC) existe a precipitação de cementita, e a martensita mantém sua tetragonalidade, transformando-se em ferrita.

(D) envolve o coalescimento ferrita, entre 350 e 700 ºC, que se torna totalmente esferoidal a 700 ºC, após as transformações que ocorrem durante o processo. (E) pode gerar fragilização do material e, neste caso, fragilização no revenido e fragilização da martensita revenida estão associadas às mesmas características de mudanças microestruturais

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Figura 1 Figura 2

As figuras acima apresentam dois exemplos de padrão ASTM (American Society for Testing and Materials) para avaliação do tamanho de grão austenítico, grão no 3 (Figura 1) e grão no 4 (Figura 2). Considerando diferentes padrões (tamanhos de grão) austeníticos, afirma-se que, para um mesmo aço,

(A) maior quantidade de martensita será obtida, se a têmpera do

material ocorrer de uma austenita de padrão no 3 do que de outra no 4. (B) maior quantidade de martensita será obtida, se a têmpera do

material ocorrer de uma austenita de padrão no 4 do que de outra no 3. (C) ambas as quantidades de martensita serão iguais.

(D) martensita com maior dureza será obtida, se a têmpera do material ocorrer a partir de uma austenita de padrão no 3 em vez de outra no 4. (E) martensita com maior dureza será obtida, se a têmpera do material ocorrer a partir de uma austenita de padrão no 4 em vez de outra no 3.

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Uma barra do aço ABNT 3130 (0,3%C, 1,3%Ni e 0,7% Cr) com

diâmetro de 150 mm foi austenitizada em 900 ºc e resfriada em óleo. Em seguida, amostras do material foram retiradas da superfície

(amostra 1) e na direção radial da barra, nas posições 20 mm (amostra 2) e 50 mm (amostra 3). É previsto que análises

metalográficas irão revelar:

(A) martensita em todas as amostras.

(B) iguais quantidades de ferrita nas amostras 2 e 3.

(C) iguais quantidades de bainita nas amostras 1 e 2, enquanto que martensita na amostra 1.

(D) bainita na amostra 1, enquanto que martensita e ferrita nas amostras 2 e 3.

Um eixo de transmissão de potência foi projetado com um diâmetro de 50 mm, devendo apresentar durezas mínimas, no centro e a 10 mm da superfície de 40 HRC e 50 HRC, respectivamente, após revenido. A figura

acima apresenta as curvas de temperabilidade de

diferentes aços após um ensaio Jominy. De acordo com os resultados deste ensaio, atende(m) adequadamente às exigências do projeto APENAS o(s) aço(s)

(A) 1040.

(B) 1040 e 5140. (C) 4140 e 4340.

(D) 8640, 4140 e 4340.

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Com base nas figuras acima, calcule a quantidade de carbono (%p) que um aço comum deverá ter para que, quando tratado termicamente, se obtenha uma estrutura bifásica do tipo ferrita-martensita, objetivando uma quantidade de martensita de 50% com dureza de 600 Brinell. _{(A) 0,13}

(B) 0,21 (C) 0,35 (D) 0,47 (E) 0,56

PRECIPITAÇÃO DA FERRITA A PARTIR DA AUSTENITA

Fe-0,15%C

800C, 150s 750C, 40s

650C, 9s 550C, 2s

Grandes super-resfriamento -Ferrita acicular de widmanstatten, quanto maior o resfriamento mais finas serão as agulhas.

Grão grosseiro: O C rejeitado na ferrita não atinge o centro do grão; poucos locais de nucleação, austenita permanece saturada longe destes núcleos, com o superresfriamento adequado ferrita de Widmanstatten se desenvolve.

Resfriamento lento segue o diagrama de equilibrio Resfriamento rápido, núcleos vão cobrir os

contornos e ferrita de Widmanstatten muito fina se desenvolve.

Aços IF (do inglês “interstitial-free”: livre de elementos intersticiais), uma vez que os aços baixo carbono, além da baixa qualidade superficial, eram de difícil conformação, em função da presença de elementos

intersticiais na sua estrutura.

Logo, a produção e processamento dos aços IF necessita de etapas que minimizem a presença de carbono e nitrogênio em solução como a desgaseificação a vácuo e a de aços microligados, com o uso de titânio e nióbio na formação de fases que podem se precipitar nesses aços e remover em extensão máxima possível os elementos

intersticiais da solução sólida.

Hoje em dia, o mercado mais proeminente de aplicação para aços IF é na indústria automobilística, mais precisamente como material

usado na confecção de pára-lama, capô e tampa de porta-malas entre outros.

Atende exigências de estampagem, energia de colisão, leveza e menos queima de combustível.

Aços IF da Companhia Siderúrgica do Atlântico da ThyssenKrupp Steel

EVOLUÇÃO DA MICROESTRUTURA E DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE AÇOS IF TRATADOS TERMOMECANICAMENTE - Bárbara Matos Fieto

TESE DE MESTRADO - USP -2011

MUDANÇA DE VOLUME DEVIDO A TRANSFORMAÇÃO ESTRUTURAL