PACK CARBURIZING TREATMENT ANALYSIS IN SPUR GEARS OF SAE 4320 STELL part 1

ANÁLISE DA CEMENTAÇÃO SÓLIDA EM ENGRENAGENS CILÍNDRICAS DE DENTES RETOS DE AÇO SAE 4320 – parte 1

Natália Gonçalves Garcia (graduada em Tecnologia em Fabricação Mecânica, Campus Jaraguá do Sul-Rau / IFSC)

nati.go.gar@gmail.com

Priscila Eduarda Kraft Lopes (graduanda em Tecnologia em Fabricação Mecânica, Campus Jaraguá do Sul-Rau / IFSC)

Jean Senise Pimenta (Professor Dr. Eng., Departamento de Mecânica do Campus Jaraguá do Sul-Rau / IFSC)

jean.pimenta@ifsc.edu.br

Resumo: Engrenagens cilíndricas de dentes retos fabricadas de aço SAE 4320 foram devidamente posicionadas dentro de uma caixa de aço-carbono, contendo um pó rico em carbono usado para cementação sólida. Esta caixa foi levada ao forno de tratamento térmico permanecendo na temperatura de austenitização de 900ºC por um tempo determinado para cada amostra; neste período houve difusão do carbono para dentro das engrenagens. No final de cada período, as amostras foram submetidas à têmpera direta em óleo logo que retiradas da caixa, seguido de posterior tratamento de revenimento. Este tratamento termoquímico proporcionou endurecimento superficial, mantendo-se o núcleo dúctil e tenaz. Cálculos da difusão do carbono no aço baseado na segunda Lei de Fick foram realizados para se obter o tempo necessário em cada condição analisada. Nestes cálculos foram estimadas três concentrações de carbono num mesma profundidade de camada cementada. Amostras destas engrenagens foram preparadas para metalografia e ensaios de microdureza HRC. A avaliação das imagens no microscópio óptico e dos perfis de microdureza constatou que os resultados das condições de cementação aplicadas nas amostras 2 e 3 não foram satisfatórias. Somente os resultados da amostra 1 (cerca de 2,4 h para difusão do carbono no Fe-γ) criaram uma profundidade de camada endurecida próxima àquela recomendada para engrenagens com módulo 2. Pretende-se fazer novos experimentos no futuro para verificar a reprodutibilidade dos bons resultados da amostra 1. Palavras-chave: cementação sólida, aço SAE 4320, engrenagens.

PACK CARBURIZING TREATMENT ANALYSIS IN SPUR GEARS

OF SAE 4320 STELL – part 1

Abstract: Cylindrical spur gears manufactured from SAE 4320 steel were properly positioned within a carbon steel box containing a carbon-rich powder used for pack carburizing. This box was placed in the heat treatment furnace remaining at the austenitization temperature of 900 ºC for a set time for each sample; there was diffusion of carbon into the gears surface at this time. At the end of each period of time, the samples

were straightly quenched in oil as soon as they were removed from the box followed by tempering treatment This thermochemical treatment provided surface hardening, maintaining the gear core ductile and tenacious. Calculations of carbon diffusion in steel based on the Fick's Second Law were performed to obtain the specific time required in each condition analyzed. In these calculations, three carbon concentrations were estimated at the same depth of cemented layer in each sample. Samples of the gears were prepared for metallographic analysis and HRC microhardness tests. The evaluation of the images obtained by the optical microscope and microhardness profiles showed that the results of the pack carburizing conditions applied in samples 2 and 3 were not satisfactory. Only results from Sample 1 (about 2.4 h for carbon diffusion in Fe-γ) showed a depth of hardened layer close to that recommended for module 2 gears. It is intended to make further experiments in the future to verify reproducibility of the good results of sample 1.

Keywords: pack carburizing, SAE 4320 steel, spur gears.

1. INTRODUÇÃO

No projeto mecânico de peças ou componentes também se deve ter em mente as propriedades necessárias que estas deverão possuir, de modo que apresentem um bom desempenho e durabilidade na sua atribuição. Há diversas ligas metálicas (ferrosas ou não) disponíveis para processos de conformação mecânica, os quais associados a tratamentos térmicos específicos permitirão atingir adequadas propriedades mecânicas nas peças.

Engrenagens são importantes elementos de máquinas usados na transmissão de movimento rotativo e torque entre eixos, as quais são basicamente cilindros dentados projetados para que não haja travamento ou perda de contato entre os dentes. O termo engrenagem se refere ao conjunto de pelo menos duas rodas dentadas – uma motora e a outra movida – as quais servem como um tipo de alavanca. No caso de um mesmo valor de potência, engrenagens podem ser projetadas de forma que haja ganho de torque ou ganho de velocidade (MAZZO, 2013).

Dentre os vários tipos de engrenagens no setor metalmecânico, a mais tradicional é a engrenagem cilíndrica de dentes retos sendo usada para transmitir movimento circular contínuo entre eixos paralelos de baixa rotação. Segundo Norton (2004), as engrenagens cilíndricas de dentes retos são projetadas e fabricadas de forma que seus eixos sejam paralelos entre si e seus dentes paralelos em relação aos seus respectivos eixos. A aplicação deste tipo de engrenagem está limitada a velocidades menores que 50 m/s, visto que acima disso haveria excessivo barulho e vibração (NORTON, 2004).

Aços de baixo-carbono são materiais frequentemente utilizados na fabricação de engrenagens. A razão principal disto está na capacidade deste material ser submetido a um dado tratamento termoquímico e, posteriormente, apresentar uma camada superficial com maior dureza e resistência ao desgaste no contato dos dentes, mantendo-se um núcleo da peça com aspecto dúctil e tenaz (MAZZO, 2013). Então, no atendimento desses requisitos, os dentes das engrenagens devem apresentar uma camada endurecida com profundidade específica. Essas propriedades mecânicas podem ser alcançadas com tratamentos térmicos ou termoquímicos controlados e especificados para cada liga ferrosa.

O aço SAE 4320 (ou similar) é tipicamente usado na fabricação de componentes da indústria automobilística, incluindo-se engrenagens de transmissão, coroas e pinhões, por exemplo. As peças cementadas com este aço, dentre outros aços possíveis, são destinadas para aplicações severas, pesadas e de maior responsabilidade em tratores, caminhões, máquinas operatrizes, etc (CHIAVERINI, 2002).

Há vários tratamentos termoquímicos disponíveis, porém aquele mais comum para endurecimento superficial de engrenagens e que possui menor risco de contaminação externa é a cementação sólida. Neste processo as peças são adequadamente colocadas e espaçadas dentro de caixas metálicas, sendo este conjunto no geral aquecido entre 850°C e 950°C para austenitização do aço-carbono. Além das peças, nestas caixas há uma mistura carburante rica no elemento químico endurecedor. Nesta faixa de temperaturas, quando o aço está no campo de fase da austenita (Fe-γ), tem-se facilitada a difusão atômica do carbono dentro da rede cristalina do material. (COLPAERT, 2008; CALLISTER, 2015)

No tratamento de cementação recomenda-se que a distribuição do percentual de carbono da superfície para o centro da peça deva ser suave, evitando-se uma queda brusca deste percentual – este gradiente mais suave de carbono pode ser obtido com resfriamentos mais rápidos (CHIAVERINI, 2002). Quando o carbono se difunde para dentro do aço, o teor deste elemento na superfície aumenta comparado ao núcleo da peça; então, depois da peça ser bruscamente resfriada a sua dureza aumenta numa fina camada a partir da superfície do aço, enquanto que seu núcleo permanece macio e dúctil (HOSSEINI, 2012). Este fenômeno físico de difusão é o responsável pela viabilidade de tratamentos termoquímicos, tais como: cementação (sólida, líquida ou gasosa); nitretação; e de carbonitretação, por exemplo.

O estudo dos mecanismos de difusão atômica, baseado nas leis de Fick, define o fluxo difusional como uma quantidade de massa que se difunde perpendicularmente a uma seção transversal de área unitária do sólido elementar por unidade de tempo (CALLISTER,

2015). No caso do regime não estacionário, que representa grande parte das situações práticas na difusão atômica, o fluxo difusional e o gradiente de concentração num ponto específico dentro do sólido variam com o tempo. A aplicação de adequadas condições de contorno permite a resolução da segunda lei de Fick neste regime. Dentre as variáveis nesta segunda lei, tem-se uma concentração constante na superfície do sólido, ou seja, que é a solubilidade máxima de carbono na fase austenita do aço. Essa solubilidade depende da temperatura à qual o aço será submetido e de sua composição química (HOSSEINI, 2012).

A têmpera é um tratamento térmico que basicamente consiste em aquecer uma peça de aço e mantê-la nessa temperatura por um dado tempo, dependendo do teor de carbono do aço, até que sua microestrutura se torne austenítica. Em seguida, deve-se resfriar bruscamente num meio adequado para obtenção de martensita. Na fina camada formada a partir da superfície do aço, na qual houve difusão do carbono devido ao tratamento de cementação, haverá nítido aumento da dureza superficial e também na resistência ao desgaste (COLPAERT, 2008). Os meios de têmpera variam em severidade, ou seja, em velocidade de resfriamento; então, para se evitar deformação na geometria de peças de pequenas dimensões, costuma-se recomendar o uso de óleo de têmpera (KOWSER e MOTALLEB, 2015).

A microestrutura martensítica tem como característica baixa ductilidade e proporciona alto nível de tensões residuais na rede cristalina, deixando a peça suscetível a trincamento. As tensões residuais ocorrem devido à formação da martensita, que não ocorre diretamente pela difusão do carbono, e sim pela deformação gerada na rede após resfriamento na têmpera. Porém, obrigatoriamente deve-se fazer um tratamento térmico subsequente para o alívio de tensões na microestrutura. O tratamento de revenimento consiste em aquecer a peça numa temperatura abaixo da temperatura de austenitização do aço, mantê-la nesta temperatura por um tempo adequado e resfriá-la dentro do forno (MEI e COSTA, 2010).

Neste estudo pretende-se analisar a profundidade da camada endurecida e a dureza obtida através da mesma para algumas condições experimentais, devido à aplicação do tratamento de cementação sólida em engrenagens cilíndricas de aço SAE 4320. Dentre os principais objetivos, incluem-se: analisar a influência do tempo na difusão do carbono para formação desta camada nos dentes das engrenagens; analisar a microestrutura formada e executar perfis de microdureza a partir da superfície dos dentes cementados.

2. METODOLOGIA 2.1 Materiais

Na fabricação das engrenagens cilíndricas de dentes retos foi usada parte de uma barra de aço SAE 4320 (diâmetro 50,80 mm), cuja composição química dada pelo fabricante está na Tabela 1. Trata-se de um aço-liga ao cromo, níquel e molibdênio muito usado para tratamento de cementação que apresenta alta temperabilidade, alta resistência mecânica, soldabilidade favorável e baixa usinabilidade em comparação aos aços-carbono comuns. Na Tabela 2 tem-se a composição química do aço SAE 4320, conforme norma SAE J404-1994.

Tabela 1 – Composição química (% peso) da barra de aço SAE 4320, segundo dados do fabricante.

C Mn Si P S Ni Cu Mo Cr Al Ti

0,190 0,630 0,220 0,023 0,025 1,670 0,160 0,240 0,550 0,027 0,003

Fonte: MKRAFT Aços, Certificado de Qualidade nº 224109.

Tabela 2 – Composição química (% peso) do aço SAE 4320, segundo a norma SAE J404-1994.

C Mn Si Pmáx. Smáx. Ni Mo Cr

0,17-0,22 0,45-0,65 0,15-0,35 0,030 0,040 1,65-2,00 0,20-0,30 0,40-0,60 Esta barra de aço SAE 4320 apresentou dureza de 81,3 ± 5,3 HRB após execução de cinco medições na escala Rockwell B. Considerando uma dureza média de 82 HRB, pode-se obter na conversão das escalas uma dureza em torno de 153 HB10/3000 (dureza Brinell com penetrador esférico de diâmetro 10,0 mm e carga de ensaio de 3000 kgf).

A microestrutura do referido aço SAE 4320 está caracterizada na micrografia vista na Figura 1, onde há presença de grãos de ferrita (fase clara) e perlita (fase escura) incluindo-se grande dispersão de carbonetos na matriz. As faincluindo-ses escuras reagiram mais ao ataque do reagente nital 2%, devido ao maior teor de carbono na perlita (MEI e COSTA, 2010). Possivelmente, houve formação de carbonetos de cromo e molibdênio neste aço. Diversos elementos têm grande afinidade pelo carbono e podem formar carbonetos estáveis no aço, tais como: cromo, tungstênio, vanádio, titânio, nióbio e molibdênio (COLPAERT, 2008).

Na Figura 2 são mostradas engrenagens cilíndricas de dentes retos fabricadas para os experimentos, as quais possuíam espessura de 12,50 mm e módulo 2. Outras informações quanto ao dimensionamento das mesmas podem ser encontrados no item 2.2.1 do presente trabalho.

Figura 1 – Micrografia do aço SAE 4320 deste trabalho. Presença de grãos de ferrita (fase clara), grãos de perlita (fase escura) e dispersão de carbonetos na matriz. Ampliação 400X, ataque Nital 2%.

Figura 2 – Vista das engrenagens cilíndricas de dentes retos deste trabalho (escala em mm).

A caixa metálica usada para o tratamento de cementação sólida e que armazenou as engrenagens e o pó de cementação foi fabricada de uma chapa de aço SAE 1020 com espessura 4,0 mm. Na Tabela 3 são fornecidas especificações técnicas dos componentes que constituem o pó de cementação.

O óleo industrial usado para o tratamento de têmpera foi o South Oil Temp MO 32, fabricado pela Indústria Química Rocha Ltda. Segundo o fabricante, tal óleo é recomendado para têmpera convencional de média velocidade ou também a frio, não devendo a temperatura do óleo exceder 70°C; as características físicas do produto estão na Tabela 4.

Tabela 3 – Componentes da mistura, registro CAS e composição química (% peso) do pó usado para cementação sólida, segundo dados do fabricante Wolf. Hacker & Cia Ltda.

Componentes Registro CAS Percentual em peso (% peso)

Carvão vegetal 64365-11-3 40-45%

Sais minerais 7757-79-1 40-35%

Cloreto de sódio 7647-14-5 5-10%

Cianetos 13601-19-9 5-10%

Nota: Códigos CAS são números de registro presentes no banco de dados do Chemical Abstract

Service (CAS), designados às substâncias, de maneira sequencial, à medida que estas são

colocadas nesta base de dados. Desta forma, cada número de registro CAS é um identificador numérico único, que designa apenas uma substância e que não possui significado químico algum. Fonte: http://www.anvisa.gov.br/datavisa/Substancia/CodigoCAS.htm

Tabela 4 – Características físicas do óleo de têmpera usado neste trabalho.

Viscosidades South Oil Temp MO 32

Densidade 0,875

Viscosidade cSt 40ºC 32,9

Viscosidade cSt 100ºC 5,2

Ponto de combustão (ºC) 205

Fonte: Indústria Química Rocha Ltda.

2.2 Métodos

As engrenagens cilíndricas de dentes retos foram fabricadas no Laboratório de Usinagem no Campus Jaraguá do Sul–Rau / IFSC. De início, uma barra cilíndrica de aço SAE 1020 foi usinada no torno convencional para servir de suporte para as engrenagens na fresadora. Depois, a barra de aço SAE 4320 foi usinada no torno para o diâmetro externo das engrenagens e quatro blanques foram cortados na espessura das engrenagens projetadas; os quatro blanques foram fixados na barra de aço SAE 1020 por meio de uma chaveta.

Na sequência, esta a barra foi presa ao mandril da fresadora (marca Sunlike, modelo UH-1) e neste foi fixado o aparelho divisor com um disco de 20 furos onde foram dadas duas voltas completas por vez. A fresa utilizada foi a nº 3 para o módulo 2. A profundidade de penetração total da fresa foi de 4,332 mm (altura dos dentes das engrenagens).

2.2.1 Cálculo para dimensionamento das engrenagens

Foram escolhidos os seguintes parâmetros para o projeto da engrenagem cilíndrica de dentes retos: módulo; número de dentes e ângulo de pressão. E a partir destes valores foram obtidos outros parâmetros necessários ao projeto, aplicando-se as fórmulas de Fisher (2008) para o dimensionamento deste tipo de engrenagem:

Dentes externos: Número de dentes: m m d m d z= = a −2⋅

Diâmetro do círculo da cabeça: _{d =d +2⋅m=m⋅}

₍

₎

a

Diâmetro do círculo do pé: _{d d}

₍

₎

f = −2⋅ +

Distância entre eixos:

₍

₎

2

2

d

m

z

z

d

a

=

+

=

⋅

+

Dentes externos e internos: Módulo:

z

d

p

m

=

=

π

Altura da cabeça do dente: _{h m}

a =

Passo: p=

π

f = +

Diâmetro do círculo primitivo:

_d

₌

_m

_⋅

_z

_h

_{= 2}

_⋅

_m

₊

_c

Considerando os estudos de Norton (2004), optou-se por um ângulo de pressão (θ) de 20º por ser este o mais usual. O número mínimo de dentes das engrenagens indicado é de 18, mas as engrenagens deste trabalho foram fabricadas com 20 dentes. Na Tabela 5 são apresentados os valores de alguns parâmetros usados na fabricação das engrenagens.

Tabela 5 – Parâmetros técnicos usados na fabricação das engrenagens.

Parâmetros técnicos Valores

θ 20º m 2 z 20 De 44,00 mm Dp 40,00 mm Db 37,58 mm Di 35,34 mm P 6,28 mm h 4,33 mm a 2,00 mm b 2,33 mm

2.2.2 Cálculo do tempo para difusão do carbono

Baseado na 2ª Lei de Fick obteve-se o tempo estimado da difusão do carbono na austenita, sendo fixado o valor 0,40 mm na profundidade da camada endurecida (variável x). O teor inicial de carbono (variável C0) e a solubilidade máxima de carbono na austenita (variável

(D) foi de 5,9 × 10-12 _{m²/s (a 900ºC).}

Segundo Mazzo (2013), a profundidade da camada endurecida por cementação (variável x) em rodas dentadas pode ser estimada em função do módulo normal do dente da engrenagem. Neste trabalho, o módulo do dente (m) vale 2,0 que se encontra na faixa entre 2,0 ≤ m < 2,5 – o que conduz a uma profundidade entre 0,40-0,60 mm da camada endurecida. Como o tratamento de cementação sólida não permite um controle adequado da profundidade da camada cementada, optou-se por fixar tal valor em 0,40 mm nos cálculos do tempo de difusão do carbono na austenita a 900ºC.

Após a aplicação de condições de contorno específicas, a segunda lei de Fick pode ser dada como visto na equação (1) abaixo (CALLISTER, 2015):













−

=

−

−

Dt

x

erf

C

C

C

C

2

1

onde Cx indica a concentração numa profundidade x após um tempo t; C0 é a concentração

inicial dos átomos no sólido; e Cs é a concentração constante na superfície do sólido, ou

seja, é a solubilidade máxima de carbono na austenita do aço. Tal solubilidade depende da temperatura na qual o aço será submetido e de sua composição química (HOSSEINI, 2012).

Com relação ao parâmetro Cx e, segundo estudos do endurecimento de superíficies

em aços, pode-se admitir uma concentração na camada cementada no geral controlada entre 0,7 e 1%C (% em peso) (KRAUSS, 1990, apud LAMPMAN, 1991).

De acordo com parte do diagrama Fe-Fe3C visto na Fig. 3, para o aço SAE 4320 a

900°C obtém-se um teor de cerca de 1,2% de carbono (variável Cs) como indicativo da

solubilidade sólida máxima de carbono na austenita para o referido aço.

Figura 3 – Solubilidade sólida máxima de carbono na austenita para alguns aços AISI.

2.2.3 Procedimentos no Forno de Tratamento Térmico

Fabricou-se uma caixa metálica de aço SAE 1020 com cerca de 120x110x110 mm, onde se colocou as amostras na posição horizontal num leito com pó de cementação. Estas foram envolvidas por este pó e espaçadas cerca de 20 mm entre si e também das paredes da caixa; esta foi simplesmente tampada e colocada dentro do forno de tratamento térmico.

Durante o experimento, cada engrenagem foi removida após um tempo previamente calculado para manutenção das peças a 900ºC. Imediatamente após esta remoção da caixa, fez-se a têmpera direta em óleo com movimentos suaves proporcionando um resfriamento uniforme das peças. As engrenagens foram colocadas dentro do forno para revenimento do aço (200ºC por 1 h). Este tratamento visou aliviar as tensões residuais geradas na microestrutura martensítica, formada numa camada endurecida superficial.

2.2.4 Práticas Laboratoriais

Estas práticas foram realizadas no Laboratório de Ensaios de Materiais do Campus Jaraguá do Sul-Rau / IFSC, bem como o uso dos fornos para cementação e revenimento. A análise metalográfica e os ensaios de microdureza nas amostras abordaram os procedimentos: - corte de dentes das engrenagens cementadas para embutimento a quente com baquelite; - lixamento das amostras embutidas na sequência de granulometria 120, 220, 240, 320, 400, 600, 800 e 1200, visando preparação metalográfica;

- polimento com alumina 1,0 µm, e ataque químico por imersão a frio em Nital 2% por 5s; - microscópio óptico (marca KOZ-004, modelo XJM404) para análise da microestrutura do material e da camada endurecida após o tratamento de cementação;

- microdurômetro (marca Future-Tech Corp., modelo FM-800) para se obter perfis de microdureza na escala Rockwell C (HRC) com carga de 300 gf por 10 s nas amostras removidas dos dentes. Optou-se pela carga de 300 gf, pois tal valor proporcionou diagonais retas na impressão deixada pelo penetrador piramidal de diamante de base quadrada – medições foram feitas na escala Vickers (HV) e os valores convertidos pelo equipamento. Este é um valor limitante na escala de dureza HV, pois quando são usadas cargas menores pode haver alguma recuperação elástica do material metálico (SOUZA, 1982).

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1 Análise Metalográfica na Região Cementada

As micrografias das amostras 1, 2 e 3 serão aqui apresentadas, as quais foram submetidas ao tratamento de cementação sólida por 2,4h, 5,5h e 10,8h, respectivamente; seguido de têmpera direta em óleo após retirada do forno. Nos cálculos mostrados anteriormente, considerou-se um teor de 0,40%C, 0,60%C e 0,75%C respectivamente para as amostras 1, 2 e 3 numa mesma profundidade da camada cementada de 0,40mm.

As imagens obtidas no estereoscópio para as amostras 1, 2 e 3 são vistas na Fig. 4. Nota-se a presença de uma região diferenciada logo abaixo da superfície dos dentes nitidamente influenciada pelo tratamento de cementação, ou seja, pela difusão do carbono para o interior do aço. Além disso, percebe-se também que houve aumento apreciável na espessura de tal região à medida que se aumentou o tempo de cementação.

No quesito homogeneidade das camadas cementadas vistas na Fig. 4, nota-se que a amostra 1 apresentou melhor consistência na sua profundidade ao longo do perfil do dente. Na amostra 2 a profundidade da camada no topo dos dentes foi aparentemente um pouco maior do que nos vales. E na amostra 3 ocorreu este aumento notado na amostra 2, porém a região contendo a camada cementada ficou nitidamente um pouco mais profunda.

A homogeneidade na profundidade da camada endurecida é um fator relevante, pois se a camada apresentar regiões muito espessas ou estreitas, a vida útil da engrenagem será afetada: uma penetração insuficiente de carbono na base do dente pode causar falha prematura; e uma penetração excessiva na ponta do dente pode fragilizá-lo (DAVIS, 2005).

Um possível motivo para a diferença de espessura na camada das amostras 2 e 3 está, justamente, no maior tempo de exposição à atmosfera carburante. Outro fato bem conhecido é que a cementação sólida não permite bom controle na profundidade da camada endurecida e no potencial químico do meio carburante (CHIAVERINI, 2002). A região no topo do dente ficou livremente exposta a uma maior quantidade do meio carburante do que na região entre os dentes, resultando possivelmente numa difusão mais intensa de carbono (região mais rica no potencial químico do meio).

Figura 4 – Imagens do estereoscópio nas amostras 1, 2 e 3 – indicações a), b) e c) para cementação sólida com cerca de 2,4h, 5,5h e 10,8h, respectivamente.

Na Figura 5 são exibidas micrografias com ampliação de 100X no topo dos dentes das amostras 1, 2 e 3, respectivamente para cementação sólida por 2,4h, 5,5h e 10,8h (seguida de têmpera direta e revenimento). Na análise destas imagens constatou-se que houve a formação de uma camada cementada – região específica logo abaixo da superfície nos dentes – para os três períodos de exposição durante o tratamento de cementação. Nota-se uma microestrutura relativamente distinta a partir da superfície para o núcleo dos dentes das engrenagens, indicando uma possível presença de martensita junto à superfície. Houve um aumento apreciável e gradual na profundidade da região cementada a partir da superfície, sobretudo devido aos maiores tempos usados na prática de cementação.

Figura 5 – Micrografias nos dentes das amostras 1, 2 e 3 – indicações a), b) e c) para cementação sólida com 2,4h, 5,5h e 10,8h, respectivamente. Escala 100µm, ampliação 100X. Ataque nital 2%.

As micrografias mostradas na Fig. 6 foram obtidas com ampliação de 200X nas mesmas regiões indicadas na Fig. 5, sendo também relacionadas às amostras 1, 2 e 3. E na Fig. 7 há micrografias com ampliação de 400X para aquelas regiões ampliadas de 200X (ver Fig. 6), relacionadas somente às amostras 1 e 2. Confirmou-se que houve formação de uma microestrutura tipicamente martensítica, que se estende da superfície para o interior do dente das engrenagens; e que maiores tempos de exposição resultaram numa maior extensão da região endurecida. A micrografia com ampliação 400X para a amostra 3 não foi aqui mostrada (maior tempo de difusão do carbono), porém também foi obtida uma microestrutura composta de martensita semelhante àquela vista nas outras duas condições.

Figura 6 – Micrografias nos dentes das amostras 1, 2 e 3 – indicações a), b) e c) para cementação sólida com 2,4h, 5,5h e 10,8h, respectivamente. Escala 500µm, ampliação 200X. Ataque nital 2%.

Figura 7 – Micrografias nos dentes das amostras 1 e 2 – indicações a) e b) para cementação sólida com 2,4h e 5,5h, respectivamente. Escala 200µm, ampliação 400X. Ataque nital 2%.

Houve uma nítida zona de transição na microestrutura das amostras analisadas, provavelmente devido à queda gradual no teor de carbono – no sentido da superfície para o interior do dente da engrenagem. É importante que esta zona de transição entre a camada cementada e o núcleo do componente seja gradual, a fim de que a camada endurecida seja suportada por um núcleo mais dúctil (CHIAVERINI, 2002; COLPAERT, 2008).

A microestrutura formada na camada cementada é predominantemente composta de martensita. Possivelmente, há algum percentual de austenita retida na camada endurecida, pois segundo Chiaverini (2002) quando na execução do processo de têmpera direta em óleo – sobretudo para aços com altos teores de elementos de liga – existe a tendência de ocorrer retenção de algum percentual de austenita na microestrutura final.

Com relação à fase constituída por austenita retida, esta envolve as agulhas de martensita e, supostamente, atenua parte das tensões residuais geradas na rede cristalina e aumenta a tenacidade e resistência à fadiga da camada endurecida. Entretanto, a sua presença, que não é afetada pelo posterior tratamento de revenimento, causa queda na dureza superficial da peça (CHIAVERINI, 2002).

3.2 Perfis de Microdureza

Os ensaios de microdureza foram feitos nos dentes das engrenagens cementadas, sendo iniciado a partir da superfície do dente até cerca de 3,0 mm de profundidade. Utilizou-se a escala de dureza Rockwell C (HRC) e carregamento 300 gf por 10 s. Traçaram-se três perfis de microdureza em cada dente com as indentações espaçadas de 0,10 mm (100 µm) entre si, sendo obtidos a média e o desvio padrão dos resultados. Os pontos obtidos nos gráficos resultaram da média aritmética de três medições em cada seção analisada.

As Figuras 8, 9 e 10 apresentam os gráficos dos perfis de microdureza executados nas amostras 1, 2 e 3. Trata-se daquelas amostras previamente analisadas por microscopia óptica e vistas nas imagens das Figuras 4 a 7.

Nesta análise, partiu-se da premissa de que uma região endurecida por cementação deve atingir um valor de dureza a partir da superfície da peça de aço de, no mínimo, 50HRC como indicado no gráfico da Fig. 11 (HOSSEINI, 2012).

Baseado no entendimento de que a profundidade efetiva da camada cementada se estende até uma profundidade com dureza de 50 HRC (visto na Fig. 11), pode-se inferir que as amostras 1, 2 e 3 obtiveram espessuras de camada em torno de 0,5 mm, 1,3 mm e 2,2 mm, respectivamente. A dureza máxima obtida na amostra 1 foi de 60,8 HRC a 0,1 mm a

partir da superfície; na amostra 2 foi de 60,7 HRC a 0,4 mm; e na amostra 3 de 59,5 HRC a 0,7 mm. Estes valores de microdureza foram influenciados pelo tempo de revenimento, que pode resultar diferentes valores de dureza em determinadas profundidades desta camada.

Figura 8 – Perfil de microdureza na condição da amostra 1 (cementação sólida por 2,4h).

Figura 10 – Perfil de microdureza na condição da amostra 3 (cementação sólida por 5,5h).

Figura 11 – Perfil Diagrama esquemático da profundidade da camada cementada.

Fonte: adaptado de Hosseini (2012).

Vale ressaltar que os cálculos de difusão foram fixados na profundidade de 0,40 mm, sendo que a profundidade recomendada da camada cementada para engrenagens de módulo (m) entre 2,0 ≤ m < 2,5 está na faixa de 0,40 a 0,60 mm (MAZZO, 2013). Logo, apenas o resultado da amostra 1 ficou dentro do limite estipulado para tal profundidade. As

amostras 2 e 3 excederam esse limite, ou seja, houve uma difusão de carbono relativamente excessiva provavelmente devido aos maiores tempos de forno na prática de cementação.

O perfil de microdureza da amostra 3 mostrou uma queda bem suave, condição que seria ideal segundo a literatura. Porém, os valores de dureza se mantiveram altos até próximo ao núcleo do dente e foi bastante excedida a faixa de 0,40-0,60 mm indicada para engrenagens de módulo 2. Quanto ao perfil da amostra 2 este também exibiu uma transição gradual, mas foi igualmente excedida a profundidade estimada da camada cementada.

Na Figura 12 é dado um diagrama de revenimento com a dureza obtida em corpos de prova de aço SAE 4320 (dimensões Ø22 mm x 10 mm), cementados em banho de sal, temperados diretamente em óleo e revenidos por 2 h nas temperaturas indicadas. Nesse caso, a dureza estimada do revenimento a 200°C é de 60 HRC. Quanto ao presente trabalho, foram obtidos valores de dureza próximos a este valor na região de profundidade fixada para a camada endurecida, mesmo tendo sido utilizada cementação sólida.

Figura 12 – Diagrama de revenimento da camada cementada em banho de sal, têmpera direta em óleo e revenido por 2 horas nas temperaturas indicadas (aço SAE 4320, amostras ∅22mm x 10mm).

4. CONCLUSÕES

A aplicabilidade da segunda Lei de Fick no estudo da cementação sólida foi válida na estimativa da profundidade de difusão para um dado teor de carbono, sobretudo para obtenção do tempo necessário para difusão do carbono no Fe-γ a 900ºC. O valor fixado nos cálculos de difusão até a profundidade de 0,40 mm, e posterior formação de uma camada endurecida após têmpera direta em óleo (seguida de revenimento), foi satisfatório apenas na condição nº1 dos experimentos (tempo de 2,4 h). Nas outras condições a profundidade atingida pela camada excedeu o valor estimado nos cálculos, muito provavelmente devido aos maiores tempos de exposição no forno.

Não foi obtido um perfil homogêneo nos dentes cementados das engrenagens para tempos de forno maiores que 2,4 h (condição nº1). Nas amostras das condições nº2 e nº3, que ficaram por mais tempo no forno, notou-se que na parte superior dos dentes essa camada foi um pouco mais espessa do que no vale entre os dentes. A região no topo dos dentes ficou mais livremente exposta ao meio carburante e, possivelmente, submetida a um maior potencial químico do agente endurecedor para maiores tempos de cementação.

A análise metalográfica constatou a formação de uma microestrutura martensítica na camada cementada para as três condições testadas, sendo também claramente notada uma região de transição entre esta e o núcleo do dente da engrenagem. O fato de ter havido maiores tempos de exposição, de fato, resultou numa maior extensão desta camada.

A dureza esperada na camada cementada, baseada na literatura técnica consultada, estava em torno de 62 HRC. Neste quesito, a amostra na condição nº1 foi a que mais se aproximou deste valor com 60,8 HRC numa profundidade de 0,10 mm abaixo da superfície do dente. Vale ressaltar que, na condição nº1 foram atingidos valores de dureza acima de 50 HRC até a profundidade estimada de 0,40 mm.

Os resultados mais satisfatórios para cementação sólida da engrenagem de aço SAE 4320 foram obtidos nos testes na condição nº1. Tais resultados exibiram valores de dureza acima de 50 HRC, justamente, na profundidade da camada cementada especificada para uma engrenagem cilíndrica de módulo 2. Além de também ter havido uma transição gradual nos níveis de dureza a partir da superfície para o núcleo dos dentes.

REFERÊNCIAS

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