AVALIAÇÃO DAS DIFERENÇAS NOS PERFIS EXPERIMENTAIS DE DUREZA E NAS CONCENTRAÇÕES TEÓRICAS DE CARBONO EM FUNÇÃO DA GEOMETRIA
DA PEÇA CEMENTADA
Bruno Mynelly Galdino de Sousa, Flávison de Almada Vieira, Elineudo Pinho de Moura. Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Universidade Federal do Ceará, 60440-554, Fortaleza, CE, Brasil.
RESUMO
O presente trabalho buscou alcançar um endurecimento superficial em aços-carbono, para isso utilizou-se o processo termoquímico de cementação. A cementação é um processo que objetiva introduzir carbono por difusão através da superfície de um aço que inicialmente contém um baixo teor de carbono entre 0,2% e 0,25%. Isso não significa que não podemos cementar aços com teores de carbono maiores ou menores. Sabendo disso foram escolhidos os aços SAE 1045 para o perfil retangular e o perfil cilíndrico e o aço SAE 1010 para o perfil esférico. Com o objetivo de se analisar a dureza conseguida após a cementação e também com o intuito de analisar a camada cementada em amostras de diferentes perfis. Foram ensaiadas seis amostras sendo duas de cada perfil. A espessura da amostra retangular é igual ao diâmetro das amostras cilíndricas e esféricas para permitir a comparação nos perfis de concentração. O tratamento de cementação foi realizado em uma empresa de tradição nesse ramo no estado do Ceará para possibilitar verificar como o processo é realmente realizado fora dos laboratórios. As peças foram submetidas simultaneamente ao processo de endurecimento superficial no mesmo forno com mesma temperatura por um mesmo período de tempo para eliminar quaisquer diferenças nos parâmetros do processamento. Após o término da cementação uma amostra de cada perfil foi resfriada em água. As demais seguiram para a têmpera e revenimento. Foi feito um comparativo entre os perfis cementados e, os perfis cementados e temperados. Conferiu-se que a dureza das amostras cementadas e temperadas é significativamente maior quando comparadas com as peças somente cementadas. Para os aços de mesma composição de aço e diferentes perfis, temos que, quando as peças são somente cementadas, a espessura da camada cementada é bastante parecida pelo fato de que o banho de sais do processo objetiva atingir a mesma espessura e teor de carbono independente da composição do aço, nos levando a concluir que a difusão entre diferentes perfis não terá diferença quando aplicada em tratamentos com períodos de tempo pequenos. A análise das amostras cementadas e tratadas revelou que a dureza do perfil retangular é muito maior do que a dureza no perfil cilíndrico na camada cementada, levando a concluir que o perfil influencia as medidas de dureza.
INTRODUÇÃO
Tratamentos térmicos de metais são processos amplamente empregados no segmento metal mecânico com o objetivo de melhorar as propriedades físicas e mecânicas de peças metálicas para uma determinada aplicação. Entre eles, o processo de cementação é muito utilizado para alcançar elevada dureza mecânica em superfícies de peças de aço sem que sua tenacidade seja comprometida. O endurecimento obtido com a cementação ocorre devido ao aumento da concentração de carbono por difusão. Por envolver difusão atômica o processo é relativamente lento e apenas uma região superficial da peça tem sua concentração modificada, mantendo assim a composição e a tenacidade inicial do núcleo da peça de aço.
A cementação é geralmente utilizada em engrenagens, matrizes para estampagem, pinos móveis e eixos que tem sua vida útil prolongada pelo endurecimento da superfície e a conservação da tenacidade do núcleo capaz de absorver impactos sem apresentar nucleação e propagação de trincas. A possibilidade de obter valores elevados de dureza em um aço de custo relativamente baixo é a razão de a cementação ser amplamente aplicada em vários setores da indústria. A cementação pode ser realizada por diferentes métodos, tais como: sólida, líquida, gasosa; e a escolha de qual o método mais adequado depende de variáveis como o tamanho da peça, tempo de tratamento, custo energético dentre outros. Os aços utilizados na cementação devem conter um baixo teor de carbono (em torno de 0,2% a 0,25%) para que um seja gerado gradiente de concentração e assim ocorra a difusão de carbono proveniente do meio rico em carbono em torno da peça através da superfície.
Questionamentos sobre possíveis diferenças nos perfis de concentração de carbono, ou sobre o percentual de fase martensítica produzida, decorrente, unicamente, da diferença na seção transversal da peça submetida ao tratamento de cementação, bem como a importância do controle dos parâmetros de cementação no resultado do processo surgiram após conhecer e acompanhar o processo de cementação em empresas do ramo metalmecânico no estado do Ceará, cujo percentual de retrabalho alcança 40%.
Motivados pelas questões citadas acima, procuramos avaliar os efeitos da cementação em amostras de perfis retangulares, cilíndricos e esféricos. Para amostras com perfis retangulares e cilíndricos foi escolhido o aço SAE 1045, e para o perfil esférico foi escolhido o aço SAE 1010. Por fim, para dois conjuntos de amostras, somente cementadas e cementadas seguidas de têmpera e revenimento, foram obtidos os perfis experimentais de dureza e comparados com os perfis de concentração teóricos e obtidos por simulações computacionais.
AS EQUAÇÕES DA DIFUSÃO
Considerando que a concentração inicial, 𝐶𝐶0, da peça cementada é uniforme, que a concentração das superfícies, 𝐶𝐶𝑆𝑆, e o coeficiente de difusão, D, são constantes, e que a difusão ocorre apenas na direção normal à espessura da peça com geometria retangular e na direção radial para as peças cilíndrica e esférica, temos então que a concentração será função apenas da distância da superfície e do tempo. As soluções da segunda lei de Fick para difusão em coordenadas cartesianas, esféricas e cilíndricas, úteis para curtos intervalos de tempo, são respectivamente: 𝐶𝐶 − 𝐶𝐶0 𝐶𝐶𝑆𝑆− 𝐶𝐶0= �(−1) 𝑛𝑛erfc �(2𝑛𝑛 + 1)𝐿𝐿 − 𝑥𝑥 2√Dt � + ∞ 𝑛𝑛=0 �(−1)𝑛𝑛erfc �(2𝑛𝑛 + 1)𝐿𝐿 + 𝑥𝑥 2√Dt � ∞ 𝑛𝑛=0 Eq. 1 𝐶𝐶 − 𝐶𝐶0 𝐶𝐶𝑆𝑆− 𝐶𝐶0= 𝑎𝑎 𝑟𝑟 � �erfc (2𝑛𝑛 + 1)𝑎𝑎 − 𝑟𝑟 2√Dt − erfc (2𝑛𝑛 + 1)𝑎𝑎 + 𝑟𝑟 2√Dt � ∞ 𝑛𝑛=0 Eq. 2 𝐶𝐶 − 𝐶𝐶0 𝐶𝐶𝑆𝑆− 𝐶𝐶0= 1 − 2 𝑎𝑎 � exp(−𝐷𝐷𝐷𝐷𝑛𝑛2𝑡𝑡)𝐽𝐽0(𝑟𝑟𝐷𝐷𝑛𝑛) 𝐷𝐷𝑛𝑛𝐽𝐽1(𝑎𝑎𝐷𝐷𝑛𝑛) ∞ 𝑛𝑛=1 Eq. 3
onde: 𝐽𝐽0(𝑥𝑥) é a função de Bessel de primeiro tipo e ordem zero, 𝐽𝐽1(𝑥𝑥) é a função de Bessel de primeira ordem e 𝐷𝐷𝑛𝑛 são as n raízes positivas dessas funções.
MATERIAL
Nesse trabalho foram utilizadas barras retangulares e cilíndricas de aço SAE 1045 e esferas de aço SAE 1010 empregadas em moinhos de bolas. A espessura das amostras retangulares de 19 mm (¾ de polegada) é aproximadamente igual ao diâmetro das amostras cilíndricas e esféricas. Por conta de seu baixo teor de carbono a microestrutura do aço SAE 1010 é quase que completamente composta por ferrita. É um aço com boa tenacidade, baixa dureza e baixa resistência mecânica. Com teores de carbono variando entre 0,43% e 0,50%, o aço SAE 1045 apresenta temperabilidade relativamente baixa (característica melhorada com a adição de carbono durante cementação), razão pela qual seu uso não é recomendado para peças com seções superiores a 60 mm. Por esse motivo muitas vezes o tratamento termoquímico de aumento de dureza por adição de carbono pela superfície do aço é chamado de beneficiamento.
A composição química das amostras foi obtida através de um Espectrômetro de Emissão Óptica SHIMADZU PDA-7000 e são apresentadas na tabela 1 a seguir.
Tabela 1 – Composição química dos corpos de prova.
Elemento Teor em massa (%)
Amostra Retangular Amostra Cilíndrica Amostra Esférica
C 0.46494 0.43892 0.11670 Si 0.19255 0.27185 0.11166 Mn 0.70867 0.71644 0.35141 P 0.01396 0.01172 0.03144 S 0.01012 0.01601 0.05200 Ni 0.01197 0.01186 0.03374 Cr 0.02710 0.02101 0.02095
Os corpos de prova com perfis cilíndricos e retangulares foram seccionados em uma máquina de corte serra de fita com fluido de refrigeração constantemente aplicado para evitar o aquecimento das amostras e alterações microestruturais. Para realização dos experimentos foram utilizadas duas amostras de cada geometria, totalizando um total de seis amostras. Todas as amostras foram primeiramente dispostas no forno de pré-aquecimento a 510°C por aproximadamente 1 hora. Após esse tempo as amostras foram mantidas a 930°C por 3 horas em um segundo forno abastecido por um banho comercial de sais para cementação líquida com teor de 0,8% carbono na superfície.
Após a cementação, metade das amostras, sendo uma de cada perfil, foi resfriada ao ar. A outra metade das amostras, uma de cada perfil, foi levada a um terceiro forno a 200°C por 20 minutos para equalização das temperaturas da superfície e do centro da peça antes do resfriamento até a temperatura ambiente. É importante ressaltar que, com o intuito de se estudar os parâmetros do tratamento termoquímico utilizados no dia a dia da indústria, a cementação das amostras foi realizada numa indústria metalmecânica local que sugeriu esse ciclo térmico como martêmpera. No entanto, de acordo com a curva de transformação isotérmica do aço 1045 a temperatura de 200°C usada no terceiro forno é menor que a temperatura final de transformação martensítica. Diante disso, devemos concluir que o processo realizado pela indústria não constitui uma martêmpera, mas têmpera convencional.
Também foi intenção do trabalho analisar a diferença entre as microestruturas das peças apenas cementadas e das peças cementadas seguidas de tratamento térmico para produção de uma microestrutura mais rígida e aliviada de tensões pelos processos de têmpera e revenimento.
Depois de finalizado o processo de têmpera, as peças foram resfriadas em óleo e então levadas ao forno de revenimento. O revenimento foi realizado a 200°C por um tempo de 20 minutos e então resfriado em óleo finalizando assim o processo.
Figura 1 - Curva de resfriamento contínuo do aço SAE 1045
Fonte: Apostila Tratamento Térmico e Termoquímico, Paulo Sérgio (2013)
ANÁLISE METALOGRÁFICA
Finalizado o tratamento termoquímico de cementação líquida, as peças foram cortadas e submetidas a medições de microdureza desde a superfície até o centro para obtenção dos perfis de dureza das mesmas. Uma pequena seção de cada peça foi submetida ao procedimento de preparação metalográfica de amostras para microscopia ótica. A primeira etapa desse procedimento compreendeu o lixamento com lixas de granulometria 100, 220, 320, 400, 600 e 1200 mesh, limpeza com etanol, secagem com jato de ar quente, polimento com alumina e ataque com nital 2%. Para a amostra esférica foi necessário um maior tempo de ataque químico para revelação da microestrutura. Aços com baixo teor de carbono são mais difíceis de revelar sua microestrutura.
Figura 2 – Micrografia da amostra retangular após processo de cementação.
Figura 3 – Micrografia da namostra retangular após processo de cementação e têmpera seguida de revenimento.
Figura 5 – Micrografia da amostra cilíndrica após processo de cementação e têmpera seguida de revenimento.
Figura 6 – Micrografia da amostra cilíndrica após processo de cementação.
Figura 7 – Micrografia da amostra esférica após processo de cementação e têmpera seguida de revenimento
MICRODUREZA
As amostras foram levadas para teste de microdureza a fim de traçar um perfil de dureza das amostras. O microdurômetro SHIMADZU é capaz de medir a dureza de camadas extremamente finas, com espessura da ordem de milímetros. As medidas foram iniciadas a uma distância de 0,12 mm da borda. Não foram realizadas medidas de dureza em distâncias menores para evitar danificar o identador. Para o primeiro milímetro abaixo da superfície, que corresponde aproximadamente à espessura estimada da camada cementada, foram realizadas
medidas de dureza a cada 0,12 mm. Os perfis traçados a partir das medições coletadas são apresentados nas figuras a seguir.
Figura 8 - Perfil de dureza da camada cementada para amostras somente cementadas.
Figura 9 - Perfil de dureza da camada cementada para amostras somente cementadas e temperadas.
PERFIS DE CONCENTRAÇÃO SIMULADOS E TEÓRICOS
Para cada perfil considerado nesse estudo foram realizadas simulações computacionais da difusão no ambiente de simulação multifísica COMSOL configuradas com os mesmos parâmetros empregados durante o tratamento termoquímico.
Figura 10 - Perfis de concentração de carbono óbitos por simulação computacional.
A simulação tornou possível observar de forma mais clara o resultado de um processo de cementação em aços SAE 1045 e SAE 1010.
Os resultados das simulações foram comparados com os valores calculados a partir das soluções da segunda Lei de Fick da difusão (equações 1, 2 e 3) Essas equações podem ser escritas em termos dos parâmetros adimensionais Dt/𝐿𝐿2 e 𝑥𝑥/𝐿𝐿, para a barra retangular, ou Dt/𝑎𝑎2e 𝑟𝑟/𝑎𝑎, para a esfera e barra cilíndrica. A constante pré-exponencial e a energia de
ativação para difusão do carbono no ferro-γ são 2.3 x 10-5 m2/s e 1.48 x 105 J/mol, respectivamente. Assim, o coeficiente de difusão do carbono no ferro-γ a 930°C é de 8.55 x 10-12 m2/s. No cálculo teórico de concentração de carbono, bem como durante as simulações, foi considerado o tempo de 3 horas empregado no processamento termoquímico. A espessura, 2L, da barra retangular e os diâmetros, 2a, da esfera e da barra cilíndrica foram todos definidos como sendo igual a 19,05 mm (¾ polegadas). A partir dos valores de coeficiente de difusão, tempo de tratamento térmico, espessura e diâmetros das amostras informados acima, os parâmetros Dt/(L2) e Dt/(a2) foram calculados no valor de 1,018 x 10-3 e utilizados nas equações 1, 2 e 3 para geração dos perfis de concentração de carbono calculados teoricamente. Tais perfis estão apresentados pela Figura 11.
CONCLUSÃO
Após obtenção e análise dos resultados, concluímos que o processo de cementação resulta em um aumento de dureza superficial do aço processado. Porém, quando se deseja valores de dureza mais elevados, é necessário que o aço passe por tratamento térmico de têmpera. O que ocorre no processo de cementação é apenas a introdução de carbono na matriz ferrítica a altas temperaturas. Todo e qualquer tipo de tratamento térmico e termoquímico baseia-se na utilização correta dos parâmetros de tempo e temperatura. Com isso, é necessário que o processo ocorra a altas temperaturas, pois a solubilidade do carbono é maior na região de ferro gama. O carbono é introduzido na matriz e se dissolve por solução sólida intersticial aumentando assim a dureza superficial do aço.
Nesse trabalho foi aplicado o processo de têmpera convencional, o qual nos permite obter martensita evitando a transformação ferrítica e perlítica. Durante o resfriamento das amostras, a transformação ferrítica faz com que haja uma mudança no volume da rede cristalina, podendo assim tensionar a rede, mas o processo de normalização faz com que haja uma reestruturação e refino dos grãos, oferecendo uma estrutura com menos riscos de aparecimento de trincas (isso serve para as amostras que após a cementação não se submeteram ao tratamento de têmpera convencional e foram resfriadas ao ar).
É possível concluir que, para pequenos valores de tempo de difusão, peças de mesma composição submetidas ao mesmo tratamento termoquímico não apresentam diferenças significativas nas camadas cementadas em virtude de suas diferentes geometrias.
Só serão apresentadas diferenças de valores significativas caso o processo de difusão seja longo o suficiente para que a espessura da camada atinja variadas espessuras.
Não temos diferença na espessura de camada cementada, mas quando analisamos os gráficos de perfil de dureza vemos que, para as peças cementadas e temperadas, a diferença de dureza na camada cementada é grande. Isso implica na necessidade de levar em consideração a geometria da amostra, pelo fato de que diferentes geometrias podem nos levar a diferenças taxas de resfriamento. Mesmo que os perfis tenham mesmo espessura, diâmetro e comprimento, sempre haverá diferença no calor armazenado. Mesmo que a microestrutura formada seja muito parecida, o perfil de dureza vai diferir.
REFERÊNCIAS
1 - Crank. J., The Mathematics of Diffusion, 2nd edition, Oxford, 1975.
2 - Incropera, Frank,Fundamentos de Transferênciade Calor e de Massa, editora LTC, 2008. 3 - Silva, Andre Luiz da Costa, Aços e Ligas Especiais, 2006.
