TRATAMENTOS SUPERFICIAIS

(1)

Eleani Maria da Costa - DEM/PUCRS

TRATAMENTOS SUPERFICIAIS

Dentes de engrenagem temperadas por

(2)

TRATAMENTOS SUPERFICIAIS

OBJETIVO

Endurecimento superficial do aço



visando



aumentar a resistência ao desgaste e à

abrasão da superfície

(3)

METODOS DE ENDURECIMENTO SUPERFICIAL

 Encruamento mecânico da superfície

 A dureza e a resistência dependem da intensidade do encruamento

 Tratamento químico da superfície

 (cromagem eletrolítica dura, siliconização)

 Tratamentos termoquímicos da superfície

 (cementação, Nitretação, Cianetação,...)

 Revestimento de ferramentas

 Têmpera superfícial

(4)

1- TÊMPERA SUPERFICIAL

A têmpera é realizada somente na superfície



A superfície adquire propriedades e características da estrutura

martensítica



** A casca endurecida pode ter até 10

mm, dependendo do processo.

(5)

VANTAGENS DA TÊMPERA SUPERFICIAL

 Aplica-se à peças de grandes dimensões (engrenagens de 2-3 m)

 Permite o endurecimento em áreas localizadas

 Pode ser usado quando a geometria da peça ocasionar grandes deformações

 Permite obter a combinação de altas resistências ao desgaste e dureza na superfície, com ductilidade e tenacidade no núcleo da peça

 Não exige fornos de aquecimento

 É rápida (pode ser aplicada na oficina)

(6)

PROCESSOS USUAIS DE TÊMPERA SUPERFICIAL



Por Chama



Por indução



Por laser



Por feixe eletrônico

(7)

1.1- TÊMPERA POR CHAMA

A superfície é aquecida, acima da

temperatura crítica (850-950 C) por meio de uma chama de oxi-acetilenica.

 resfriamento é feito por meio de um jato de água



Depois faz-se um revenido para o alívio de

tensões

(8)

Equipamentos

 Pode ser feita manualmente ou com dispositivos especiais, com controle ótico de temperatura

(9)

TÊMPERA SUPERFICIAL

Uso da chama para tratamento de engrenagem

A profundidade de endurecimento pode ser aumentada pelo prolongamento do tempo de aquecimento. Podem ser atingidas

Fonte:www.cimm.com.br

(10)

A profundidade da camada temperada é controlada pela:



Intensidade da chama aplicada



distância da chama aplicada



tempo de duração da chama

aplicada

(11)

para método progressivo giratório

 Consumo de Oxigênio : Co= 0.7 (p)^1/2 [l/cm²]

p= profundidade endurecida em mm

 Consumo de acetileno:

Ca= 0.45 p^1/2 [l/cm²]

 Tempo de aquecimento 7 . p² [s]

 Velocidade de movimento da torcha 72/ .p² [cm/minuto]

(12)

1.2- TÊMPERA POR INDUÇÃO



O calor é gerado na peça por indução

eletromagnética, utilizando-se bobinas

de indução, nas quais flui uma corrente

elétrica de alta freqüência.

(13)

TÊMPERA POR INDUÇÃO

Vantagens:

 Pode-se determinar com precisão a profundidade da camada temperada.

 O aquecimento é rápido

 As bobinas podem ser facilmente confeccionadas e adaptadas à forma da peça

 Não produz o superaquecimento da peça  permitindo a obtenção de uma estrutura martensítica acidular fina

 Geralmente, possibilita um maior aumento da dureza e da resistência ao desgaste

 A resistência a fadiga é também superior

 Não tem problema de descarbonetação.

(14)

TÊMPERA POR INDUÇÃO



A quantidade de calor gerada é dada pela lei de Joule:

Q= 0,239.i

²

. R. t



i é a corrente em amperes



R a resistência do condutor em ohms



t o tempo que circula a corrente em segundos

(15)

A profundidade da camada temperada é controlada pela:



Forma da bobina



Distância entre a bobina e a peça



Freqüência elétrica (500-2.000.000 ciclos/s)



Tempo de aquecimento

(16)

BOBINAS PARA TÊMPERA POR INDUÇÃO

Fonte:V. Chiaverini: Aços e Ferros Fundidos

(17)

Na têmpera por indução, a peça é colocada no interior de uma bobina submetida à passagem de corrente

alternada. O campo energiza a peça, provocando seu aquecimento. Dependendo da freqüência e da corrente, a taxa e a profundidade de aquecimento podem ser controladas.

Devido a estas características, o processo é indicado para tratamento térmico de superfície. Os detalhes de tratamento são similares ao endurecimento por chama.

(18)

A profundidade da camada temperada é dada por:

p= 5030 . (/.f)

^1/2



p é a profundidade da camada em cm



 a resistividade do material em ohm.cm



 a permeabilidade magnética do material em Gauss/Oersted



f a freqüência da corrente em Hz

(19)

TÊMPERA POR LASER

APLICAÇÃO



Usado na têmpera de peças de geometria variadas

OBSERVAÇÃO



As peças são cobertas com fosfato de zinco ou

magnésio para aumentar a absortividade

(20)

O processo é muito preciso em impor aquecimento seletivo sobre áreas bem específicas.

Além disto o processo pode ser feito em alta velocidade, produzindo pouca distorção.

Uso do laser em peça cilíndrica (esq.) e aplicação localizada (dir.)

TÊMPERA POR LASER

(21)

TÊMPERA POR LASER

VARIÁVEIS QUE CONTROLAM A PROFUNDIDADE DA CAMADA



Diâmetro do raio



Intensidade



Velocidade de varredura (100 polegadas/min.)

(22)

TÊMPERA POR LASER

VANTAGENS



O processo opera a altas velocidades



A distorção provocada é pequena



Pode ser usado para áreas selecionadas



Softwares e automação podem ser usados

para controlar os parâmetros

(23)

TÊMPERA POR FEIXE ELETRÔNICO



A fonte de calor é um feixe de elétrons de alta energia



É fácil de automatizar



O equipamento é caro



Opera em alto vácuo

(24)

O endurecimento por feixe de elétrons é similar ao endurecimento por laser. A fonte de

energia é um feixe de elétrons de alta energia. O feixe é manipulado com o uso de espiras eletromagnéticas.

O processo pode ser automatizado, mas deve ser conduzido sob condições de vácuo, visto que os feixes de elétrons dissipam-se facillmente no ar.

Como no caso do laser, a superfície pode ser endurecida com muita precisão, tanto na profundidade como na posição.

Uso do feixe mostrando equipamento ( esq.) e detalhe peça e fonte (dir.)

TÊMPERA POR FEIXE ELETRÔNICO

(25)

2- TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS DA SUPERFÍCIE

O endurecimento superficial é causado

pela modificação parcial da composição química



é alcançada através:

Aplicação de calor e de um meio químico

(26)

2- TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS DA SUPERFÍCIE



CEMENTAÇÃO



NITRETAÇÃO



CIANETAÇÃO



CARBO-NITRETAÇÃO



BORETAÇÃO

(27)

2.1- CEMENTAÇÃO



É o mais empregado e o mais antigo



Consiste na introdução de átomos de carbono na superfície da peça (acima

da temperatura crítica -850-950 C-

para haver absorção)

(28)

2.1- CEMENTAÇÃO

Considerações Gerais

 A cementação em si não endurece o aço, apenas favorece o endurecimento

O processo deve ser seguido de têmpera e revenido para atingir máxima dureza e alta resistência ao desgaste.

É aplicável a aços de baixo carbono

O conteúdo de carbono na superfície fica acima do eutetóide (0,8-1,0 %)

O teor de Carbono decresce a medida que se penetra em profundidade na peça (é importante que esse

decréscimo seja gradual).

(29)

A profundidade da

cementação depende:

 Do tempo

 Da Temperatura

 Da concentração de Carbono inicial no aço (Quanto menor o teor de carbono mais fácil a

carbonetação)

 Natureza do gás de carbonetação ou do agente carbonetante

 Velocidade do fluxo do gás (se for o caso)

(30)

A cementação pode ser realizada por quatro processos:



Por via gasosa



Por via líquida



Por via sólida



Por plasma

(31)

A- CEMENTAÇÃO SÓLIDA OU EM CAIXA



Neste processo, as peças de aço são colocadas em caixas metálicas (aço- liga resistente ao calor), ficando

separadas umas das outras pelo

carborizante.

(32)

AGENTES SÓLIDOS CARBONETANTES



Ex: carvão vegetal, mais ativadores (Carbonato de Bário, ou Sódio, ou Potássio) e óleo de linhaça (5-10%) ou óleo comum como aglomerante.



Também, pode-se adicionar 20% de

coque para aumentar a velocidade de

transferência de calor.

(33)

CEMENTAÇÃO SÓLIDA OU EM CAIXA CONSIDERAÇÕES GERAIS



A CEMENTAÇÃO SÓLIDA É MUITO RUDIMENTAR E A CAMADA

CEMENTADA É MUITO IRREGULAR.

Portanto, não é recomendada para a obtenção de camadas muito

finas.



A cementação sólida é realizada a

temperaturas entre 850-950 C

(34)

MECANISMO DA

CEMENTAÇÃO SÓLIDA

1) C + O₂  CO₂ (850-950 C) O Carbono combina com o oxigênio do ar

2) CO2 + C  2CO O CO2 reage com o carvão incandecente

3) 3Fe + 2CO  Fe₃C + CO₂

4) O CO₂ reage com o carvão incandecente e assim vai

(35)

ATIVADORES



 A presença do ativador contribui para aumentar a velocidade de

formação do CO

n 1) BaCO₃ BaO + CO₂

n 2) CO₂ + C  2 CO

n 2) 3Fe + 2CO  Fe C + CO

(36)

B- CEMENTAÇÃO LÍQUIDA

 O meio carborizante é composto de sais fundidos NaCN, Ba(CN)2, KCN, ... Como ativador: BaCl2, MnO2,

NaF e outros. Também faz parte do banho a grafita de baixo teor de Silício para a cobertura do banho

 A cementação líquida é realizada a temperaturas entre 840-950 C

  A profundidade da camada cementada é controlada pela composição do banho

(37)

B- CEMENTAÇÃO LÍQUIDA

Vantagens do processo:

 Melhora o controle da camada cementada

 a camada cementada é mais homogênea

 facilita a operação

 aumenta a velocidade do processo

 possibilita operações contínuas em produção seriada

 Dá proteção quanto à oxidação e descarbonetação

(38)

B- CEMENTAÇÃO LÍQUIDA

Cuidados:

 não deixar faltar cobertura de grafite no banho

 a exaustão dos fornos deve ser permanente, pois os gases desprendidos são tóxicos, os sais são venenosos e em contato com áciods desprendem ácido cianídrico

 as peças devem ser introduzidas no banho secas e limpas.

(39)

C- CEMENTAÇÃO GASOSA



O meio carborizante é composto de uma mistura de GASES:

[CO

²

, H

₂

, N

₂

(diluidor), (metano) CH

₄

,

(etano)C

₂

H

₆

, (propano)C

₃

H

₈

,..]

(40)

C- CEMENTAÇÃO GASOSA Vantagens do processo:

 a mistura carborizante permanece estável durante toda a cementação

 possibilita um melhor controle do teor de carbono e consequentemente da camada cementada

 facilita a cementação de peças delicadas

 evita a oxidação

 permite a têmpera direta após a cementação (sem contato com o ar e sem reaquecimento)

 o processo é limpo (não precisa de limpeza posterior)

 a penetração do Carbono é rápida

 as deformações por tensões são menores

(41)

C- CEMENTAÇÃO GASOSA

Desvantagens do processo:



A temperatura e a mistura caborizante necessitam rígido controle durante o processo



as intalações são complexas e dispendiosas



as reações são complexas.

(42)

D- CEMENTAÇÃO POR PLASMA

 O plasma é criado por ionização do gás (metano) a baixa pressão. O

carbono iônico é transferido para a

superfície da peça.

(43)

D- CEMENTAÇÃO POR PLASMA

Vantagens do processo:



Tempos de processo menores (~30

% do à gás)



A peça não sofre oxidação, já que o processo é feito sob vácuo



Fácil automatização



Produz peças de alta qualidade.

(44)

TRATAMENTOs TÉRMICOS UTILIZADOS APÓS A CEMENTAÇÃO

 O TT para endurecimento deve levar em conta:o aço e as especificações da peça.

 Não esquecer que a peça tem duas

composições distintas: um núcleo com baixo teor de Carbono (<0,8) e uma superfície com

teor de carbono acima do eutetóide (>0,8).



Portanto, tem 2 temperaturas críticas: A1 (camada cementada) e A3 (núcleo da peça).

(45)

A- TÊMPERA DIRETA SIMPLES

 A PEÇA É TEMPERADA AO AR, DIRETAMENTE APARTIR DA TEMPERATURA DE CEMENTAÇÃO (850-950C).

 Observações:

 pode reter austenita na camada cementada facilitando a fragilização da peça e

comprometendo a dureza

 o núcleo fica com têmpera total (DURO)

 aplica-se à aços de granulação fina e em peças de pouca responsabilidade ao esforço

(46)

B- TÊMPERA DIRETA DUPLA



É uma segunda têmpera, realizada depois da direta. Parte de uma temperatura logo acima da linha A1.

Finalidade:



- reduz a retenção da austenita e diminui a dureza do núcleo



- elimina a fragilização da peça



- produz granulação + fina

(47)

C-D-E- TÊMPERA INDIRETA SIMPLES

 Consiste no resfriamento da peça ao ar calmo. A seguir a peça é aquecida e resfriada apartir de um patamar pré-estabelecido.

“C” - a peça é aquecida acima da linha A1 (camada cementada).

** O núcleo continua com granulação grosseira e com mínima dureza. Aplica-se à aços de granulação fina.

“D” - A peça é aquecida entre as linhas A1 e A3 (do núcleo).

** Confere uma têmpera e um refino no núcleo, tornando-o mais tenaz e resistente.

“E” - A peça é aquecida acima das linhas A3 (do núcleo) e Acm da superfície

** A têmpera e refino do grão no núcleo são totais.

(48)

F - TÊMPERA INDIRETA DUPLA



Consiste no resfriamento da peça ao ar calmo. A seguir a peça é reaquecida

acima da linhas A3 e Acm e retemperadas.



É indicado para aços de granulação grosseira. A camada superficial fica

dura e o núcleo mole. Há um refino do

grão e diminui a austenita residual.

(49)

LEIS DE FICK PARA DIFUSÃO



A SEGUNDA LEI DE FICK PARA

DIFUSÃO PODE SER APLICADA PARA

TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS

(50)

SEGUNDA LEI DE FICK



(dependente do tempo e unidimensional)

 C= - D 

²

C  t  x

²

Suposições (condições de contorno) Suposições (condições de contorno)

 Antes da difusão todos os átomos do soluto estão uniformemente distribuídos

 O coeficiente de difusão permanece constante (não muda com a concentração)

 O valor de x na superfície é zero e aumenta a medida que avança-se em profundidade no sólido

t=o imediatamente antes da difusão

(51)

SEGUNDA LEI DE FICK

uma possível solução para difusão planar

Cx-Co= 1 - f err x

Cs-Co 2 (D.t)

^1/2

f err x

2 (Dt)

^1/2

Cs= Concentração dos átomos se difundindo na superfície Co= Concentração inicial

Cx= Concentração numa distância x

É a função de erro gaussiana

(52)

52

DIFUSÃO

Fonte: Prof. Sidnei Paciornik do Departamento de Ciência dos Materiais

(53)

2.2- NITRETAÇÃO



O endurecimento superficial é obtido pela ação do Nitrogênio (difusão).



Temperatura de nitretação:

500-600C

As peças são resfriadas ao ar ou em

salmora

(54)

O processo de nitretação permite:



Obter alta dureza superficial



Obter elevada resistência ao desgaste



Melhorar a resistência à fadiga, à corrosão e ao calor



Propicia um menor empenamento das peças, já que é realizado a temperaturas mais baixas



Não necessita de tratamento térmico posterior

(55)

CONSIDERAÇÕES GERAIS



O tratamento térmico (como têmpera e revenido) se desejado deve ser

realizado antes da nitretação



A nitretação promove um aumento nas dimensões da peça.



Depois da nitretação só é possível

retificar. Não é possível usinar porque a

superfície é muito dura.

(56)

Processos de Nitretação

a gás

líquida ou em banho de sal

Por Plasma

(57)

A- NITRETAÇÃO À GÁS



Este processo é usado especialmente para aços ligados (Cr, Al, Mo,...).



Tempo de processo: é longo (48-72 horas ou mais)



O tratamento é realizado em fluxo de Amônia (NH

₃

).



A camada nitretada atinge 0,8 mm e dureza

de 1000-1100 vickers.

(58)

MECANISMO DA

NITRETAÇÃO À GÁS



2NH

₃

 2N + 3H

₂

O Nitrogênio produzido combina-se

com a ferrita formando nitretato de

ferro ou forma nitretos complexos,

de alta dureza, com os elementos de

liga do aço.

(59)

B- NITRETAÇÃO LÍQUIDA



O MEIO NITRETANTE É UMA MISTURA DE SAIS: NaCN, Na

₂

CO

₃

, KCN, KCNO, KCl.



Tempo de nitretação: no máximo 2 horas



Temperatura de nitretação: 500-580 C



A camada nitretada é menos espessa que

na nitretação à gás

(60)

B- NITRETAÇÃO LÍQUIDA

Exemplo de banhos:

Banho simples: NaCN, KCN.



A nitretação líquida é usada também em

aços baixo Carbono (em peças de menor

solicitação)

(61)

B- NITRETAÇÃO LÍQUIDA

Exemplo de banhos:

-

Banho Tenifer- Tufftride: KCN, KCNO fundido em um cadinho de titânio + aeração para promover a oxidação do KCN, produzindo C + N.

 Forma uma estrutura de carbonetos e nitretos na superfície (8-16 mícrons) + zona de difusão do Nitrogênio (370-450 mícrons).

 A zona de difusão contribui para um aumento da resistência à fadiga.

 Este processo pode ser usado para aço comum, baixo carbono, aços-liga.

 É bastante usado na indústria automobilística e de ferramentas:

engrenagens, pinos, eixos, brocas, fresas, matrizes, etc.

(62)

C- NITRETAÇÃO POR PLASMA

PROCEDIMENTO

 A peça é colocada num forno com vácuo

 Aplica-se um potencial entre as paredes do forno e a peça (500-1000 Volts)

 Gás Nitrogênio é introduzido na câmara e é ionizado

 Os íons são acelerados em direção a peça (pólo negativo)

 O impacto dos íons gera calor suficiente para promover a difusão

 O forno atua como eletrodo e como câmara de vácuo e não como fonte de calor.

(63)

C- NITRETAÇÃO POR PLASMA

VANTAGENS

 O processo é rápido

 Baixo consumo de gases

 Baixo custo de energia

 Fácil automatização

 Necessita de pouco espaço físico

 É aplicável a vários materiais

 Produz peças de alta qualidade

Nitretação à plasma -

(64)

2.3- CIANETAÇÃO



Há um enriquecimento superficial de carbono e Nitrogênio.



T= 650-850 C



Espessura: 0,1-0,3 mm



É aplicado em aços-carbono com baixo teor de Carbono



O resfriamento é feito em água ou salmora

(65)

2.3- CIANETAÇÃO



 O processo é executado em banho de sal fundido (cianeto)



Semelhante a cementação líquida 2NaCN + O

₂

 2NaCNO

4NaCNO  Na

₂

CO

₃

+ 2NaCN + CO +2N

2CO  CO

₂

+C

(66)

2.3- CIANETAÇÃO



Vantagens em relação a cementação:



Maior rapidez



Maior resistência ao desgaste e a corrosão



Menor temperatura de processo

(67)

2.4- CARBO-NITRETAÇÃO

É SEMELHANTE À CEMENTAÇÃO À GÁS



O processo ocorre em meio gasoso



Espessura: 0,7 mm



 Neste processo introduz-se Amônia (30%) + gás carbonizante na atmosfera do forno



T= 700-900 C

(68)

2.4- CARBO-NITRETAÇÃO



Deve-se posteriormente temperar as peças em óleo e revenir

