UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS SAMUEL CLAUDINO SIMÕES

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS

SAMUEL CLAUDINO SIMÕES

AJUSTE DO PROCESSO DE CEMENTAÇÃO GASOSA SEGUIDO DE TÊMPERA E REVENIDO PARA O CONTROLE DA VARIAÇÃO DIMENSIONAL DE ANÉIS DE

TRANSMISSÃO

FLORIANÓPOLIS – SC 2007

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TRANSMISSÃO

Trabalho de Graduação apresentado ao curso de Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina como parte dos requisitos para obtenção do título de Engenheiro de Materiais.

Orientador: Berend Snoeijer

FLORIANÓPOLIS – SC 2007

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TRANSMISSÃO

Este Trabalho de Graduação foi julgado adequado para obtenção do título de Engenheiro de Materiais e aprovado em sua forma final pelo Curso de graduação em Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina.

__________________________________________ Professor M.Sc. Dylton do Vale Pereira Filho, Coordenador do curso

Banca Examinadora:

__________________________________________ Professor Dr. Berend Snoeijer,

Orientador

__________________________________________ Professor Dr. Germano Riffel

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Ficha Catalográfica

SIMÕES, Samuel Claudino, 1984-

Ajuste do processo de cementação gasosa seguido de tempera e revenido para o controle da variação dimensional de anéis de transmissão / Samuel Claudino Simões – Florianópolis: 2007

33 p.

Orientador: Berend Snoeijer

Trabalho de Conclusão de Curso – UFSC, Curso de Engenharia de Materiais, 2007. 1. Tratamento térmico, 2. Cementação.

I. Universidade Federal de Santa Catarina II. Título

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Dedico este trabalho aos meus pais, Raul da C. Simões Jr. e Maria Claudino Simões,

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AGRADECIMENTOS

À empresa Açopeças pela oportunidade de estágio e realização do meu trabalho de conclusão de curso. Ao gerente do tratamento térmico Luis Fernando Ramires, pela amizade, pelo compartilhamento de seus conhecimentos na área de tratamento térmico e o apoio com relação à realização deste trabalho.

Ao professor Berend Snoeijer pelas orientações referentes ao assunto abordado, por sua disponibilidade e amizade. Ao professor Germando Riffel pelas dicas concedidas referente à realização dos estágios. Ao secretário Paulo Bodnar, pela disposição e comprometimento em ajudar nas dificuldades a ele mencionadas. À Janaína Batista pela amizade e auxílio quando necessário.

Meu agradecimento a Deus por sua misericórdia, amor e providência. Aos meus pais Raul da Conceição Simões Junior e Maria Claudino Simões. À minha esposa Raquel Bessa Simões.

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RESUMO

Este trabalho apresenta um estudo sobre o ajuste do processo de cementação para o controle da variação dimensional do diâmetro interno ranhurado (DIR) de anéis de transmissão automotivos em seu processo produtivo. Esta variação era verificada pelo Controle de Qualidade (CQ), aonde era realizada a inspeção final das peças após o tratamento térmico de cementação, seguido de têmpera e revenido. As peças que apresentavam variações superiores às especificadas pelo cliente eram refugadas. Verificou-se que no processo de usinagem, anterior ao tratamento térmico, estas peças apresentavam estabilidade dimensional. Portanto, o trabalho foi direcionado à análise dos parâmetros do processo de tratamento térmico da peça. O tempo, a temperatura e a atmosfera do forno, embora difíceis de ajustar, apresentam-se como fatores significativos para controlar o problema apresentado. Para alcançar o objetivo do presente trabalho, as peças foram submetidas a ciclos de cementação, em que foi criado patamares de potencial de carbono, buscando em cada ciclo o melhor ajuste dos mesmos, para a eliminação do problema. O tempo e a temperatura da têmpera e do revenido foram mantidos constantes. A contribuição mais importante deste trabalho foi verificar que submetendo os anéis de transmissão a ciclos de cementação com a realização e ajustes dos patamares de potencial de carbono, permitiram controlar a variação dimensional do seu diâmetro interno ranhurado (DIR).

Palavras-Chaves:

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ABSTRACT

This paper presents a study about the adjustment of the carburizing process which aims to control the dimensional variation of the splined inner diameter (DIR) of automotive transmission rings in their productive process. Such variation was verifiable in the final inspection during the Quality Control of the parts after the carburizing heat treatment, followed by quench and temper. The parts that presented superior variations to the clients’ specification were rejected. It was verified that in the tooling process, prior to the heat treatment, the parts presented dimensional stability. Therefore, the present study was directed for the analysis of the heat treatment parameters of the parts. The time, the temperature and the furnace atmosphere, although difficult to adjust, are important factors to control the problem at hand. In order to achieve the work’s objective, the parts were submitted to carburizing cycles, in which were created levels of carbon potential aiming to find the best adjustment in each cycle, in order to eliminate the problem. The time and the temperature of the quench and temper were maintained constant. The most relevant contribution of the present study was to ascertain that submitting transmission rings to the carburizing cycle with the creation and adjustments in the levels of carbon potential, allows controlling the dimensional variation of his splined inner diameter (DIR).

Key-words:

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LISTAS DE ILUSTRAÇÕES

FIGURA 01: Gradiente da diminuição da dureza da superfície para o núcleo da peça

04

FIGURA 02: Camada cementada em função do tempo e temperatura de tratamento

05

FIGURA 03: Efeito da temperatura no tempo de cementação do aço SAE 8620 para obtenção de uma camada de 1,5 mm

07

FIGURA 04: Variação de alguns parâmetros da austenita e da martensita em função da quantidade de carbono

09

FIGURA 05: Representação dos tipos de martensita formados com a variação da quantidade de carbono e suas respectivas temperaturas de início de transformação

10

FIGURA 06: Representação esquemática do tratamento de tempera e revenido de um aço ao carbono

11

FIGURA 07: Anel de transmissão da junta homocinética 12 FIGURA 08: Forno IPSEN utilizado para o tratamento térmico dos anéis de

transmissão

13

FIGURA 09: Esquema de disposição das peças no forno 14 FIGURA 10: Representação das regiões que compõe o anel de transmissão em

estudo

15

FIGURA 11: Descrição do corpo de prova e dos locais de medição 15 FIGURA 12: Ciclo 01 do tratamento térmico de cementação realizado no forno 19 FIGURA 13: Gráfico das medições do “DIR” feitas com o relógio comparador

antes e após o ciclo 01

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FIGURA 14: Ciclo 02 do tratamento térmico de cementação realizado no forno 21 FIGURA 15: Gráfico das medições do “DIR” feitas com o relógio comparador

22

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FIGURA 20: Representação gráfica do gradiente de diminuição da dureza da superfície do diâmetro interno para o núcleo da peça

27

FIGURA 21: Metalografia do núcleo da amostra. Teste 02, aumento 200X 28 FIGURA 22: Metalografia do núcleo da amostra. Teste 02, aumento 500X 28 FIGURA 23: Metalografia do “DIR” da amostra. Teste 02, aumento 500X 28 FIGURA 24: Metalografia do núcleo da amostra. Teste 03, aumento 200X 28 FIGURA 25: Metalografia do núcleo da amostra. Teste 03, aumento 500X 29 FIGURA 26: Metalografia do “DIR” da amostra. Teste 03, aumento 500X 29 FIGURA 27: Metalografia do núcleo da amostra. Teste 04, aumento 200X 29 FIGURA 28: Metalografia do núcleo da amostra. Teste 04, aumento 500X 29 FIGURA 29: Metalografia do “DIR” da amostra. Teste 04, aumento 500X 29 FIGURA 30: Metalografia do grão austenítico. Ciclo 03, aumento 200X 30 FIGURA 31: Metalografia do grão austenítico. Ciclo 02, aumento 200X 30

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LISTAS DE QUADROS E TABELAS

QUADRO 01: Composição química do aço AISI 8620H, utilizado na fabricação dos anéis

11

QUADRO 02: Algumas das especificações do cliente para os anéis de transmissão

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QUADRO 03: Ciclo de cementação que era realizado nas peças e os ciclos realizados em cada teste

17

QUADRO 04: Resultados das durezas e do fechamento do “DIR” das peças submetidas ao ciclo 01

20

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QUADRO 06: Resultados das durezas e do fechamento do ”DIR” das peças submetidas ao ciclo 03

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TABELA 01: Perfil de dureza das amostras em relação à profundidade da camada cementada dos testes realizados

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SUMÁRIO INTRODUÇÃO 1 PROBLEMA E JUSTIFICATIVA ... 01 1.1 OBJETIVOS ... 02 1.1.1 Objetivo geral ... 02 1.1.2 Objetivos específicos ... 02

2 REVISÃO DA LITERATURA E FUNDAMENTOS TEÓRICOS ... 03

2.1 TRATAMENTO TÉRMICO DOS AÇOS ... 03

2.2 CEMENTAÇÃO ... 04

2.2.1 Cementação gasosa ... 06

2.3 TEMPERA ... 08

2.3.1 Tensões residuais na tempera ... 08

2.3.2 Formação da martensita na tempera ... 09

2.4 REVENIMENTO ... 10 2.5 AÇO SAE 8620H ... 11 3 MATERIAIS E MÉTODOS... 12 3.1 INTRODUÇÃO... 12 3.2 AMOSTRAGEM... 13 3.3 FORNO... 13 3.4 METODOLOGIA... 14 3.4.1 Amostras no forno... 14

3.4.2 Locais de medição na peça... 15

3.4.3 Ciclos de tratamento térmico de cementação, têmpera e revenido 16 4 RESULTADOS E ANÁLISES... 19

4.1 CICLO DE TRATAMENTO TÉRMICO 01... 19

4.5 PERFIL DE DUREZA DO DIÂMETRO EXTERNO... 27

4.6 METALOGRAFIAS... 28

5 COMENTÁRIOS E CONCLUSÕES ... 31

6 SUGESTÕES... 32

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INTRODUÇÃO

1 PROBLEMA E JUSTIFICATIVA

Atualmente as indústrias buscam cada vez mais melhorar seus processos visando a melhor qualidade de seus produtos. Além disso, há uma incansável procura pela eficiência destes processos, buscando redução dos tempos e custos operacionais como um todo.

O presente trabalho buscou analisar o efeito do tempo e da atmosfera do forno no tratamento térmico de cementação, seguido de têmpera e revenido, como causa da variação dimensional de anéis de transmissão da junta homocinética de veículos automotores. O mesmo foi realizado numa parceria entre o curso cooperativo de engenharia de materiais da UFSC e a empresa “Açopeças Indústria de Peças de Aço”.

O processo de cementação foi realizado na empresa “LUFER/PR – centro de usinagem e tratamento térmico”, prestadora de serviços.

O problema apresentado era a diminuição do Diâmetro Interno Ranhurado (DIR) de anéis da junta homocinética automotiva. Este problema resultava em refugo de todas as peças cuja diminuição do “DIR” era superior às tolerâncias especificadas pelo cliente.

Os anéis da junta homocinética fazem parte do sistema de transmissão automotivo. São fabricados com o aço AISI 8620H por conformação a frio, usinados e cementados. Algumas de suas características mais importantes são: dimensões, dureza superficial, dureza do núcleo e do diâmetro interno ranhurado (DIR).

Verificou-se que no processo de usinagem, anterior ao tratamento térmico, as peças não apresentavam variações dimensionais. Esta análise direcionou o trabalho a um estudo do ajuste dos parâmetros do processo de cementação, buscando conhecer suas influências, tais como, atmosfera, tempo e temperatura, na variação das características finais das peças, sendo estas a dureza, a profundidade de camada cementada e variações dimensionais.

Como resultado da melhor compreensão e das modificações realizadas, houve melhoria na qualidade das peças e redução significativa do tempo de tratamento. Esta redução trouxe, ainda, outros benefícios como o aumentando da eficiência do processo e redução de custos.

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1.1 OBJETIVOS

1.1.1 Objetivo geral

• Eliminar o refugo dos anéis causado pela diminuição do diâmetro interno ranhurado (DIR).

1.1.2 Objetivos específicos

• Melhor compreensão do processo de cementação gasosa e das influências de seus parâmetros, nas alterações das características especificadas, das peças em estudo;

• Compreender quais são os parâmetros do processo que estão contribuindo na diminuição do DIR;

• Realizar diferentes ciclos de cementação com o objetivo de encontrar um ciclo mais apropriado para o tratamento da peça sem que comprometa suas características, tais como dimensões e dureza.

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2 REVISÃO DA LITERATURA E FUNDAMENTOS TEÓRICOS

O fechamento do diâmetro interno ranhurado (DIR) dos anéis da junta homocinética era observado após o seu tratamento térmico de cementação seguido de têmpera e revenido. Torna-se importante revisar os conceitos teóricos sobre tratamento térmico, a importância de sua realização nos aços, a escolha do tipo de tratamento utilizado no processo de fabricação para as peças em estudo, e as influências do tratamento nas características das mesmas.

2.1 TRATAMENTO TÉRMICO DOS AÇOS

É o conjunto de operações de aquecimento e resfriamento a que são submetidos os aços, sob condições controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de resfriamento, com objetivo de alterar ou conferir determinadas propriedades ao aço.

Os principais objetivos dos tratamentos térmicos são os seguintes: • Alívio de tensões internas;

• Aumento ou diminuição da dureza; • Aumento da resistência mecânica; • Melhora da ductilidade, da usinabilidade;

• Melhora da resistência ao desgaste, nas propriedades de corte; • Melhora da resistência à corrosão;

• Melhora da resistência ao calor;

• Modificação das propriedades elétricas e magnéticas.

Os principais tipos de tratamentos térmicos utilizados são: recozimento, normalização e têmpera.

Há também os tratamentos térmicos que alteram parcialmente a composição química dos aços, estes tratamentos são conhecidos como tratamentos termoquímicos. Os tratamentos termoquímicos mais conhecidos são: nitretação e cementação [1].

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2.2 CEMENTAÇÃO

Cementação é a introdução de carbono por difusão na superfície de um aço de baixo teor de carbono, através do mecanismo de difusão, em temperatura superior a temperatura de zona crítica do aço. A cementação tem como objetivo a alteração da composição do aço (aumento da quantidade de carbono) em sua camada superficial, de modo que após a têmpera e revenido, esta camada apresenta uma dureza mais elevada do que a do núcleo, pois é maior a quantidade de carbono nesta região. Esta região também apresenta maiores concentrações de tensões residuais devido à tetragonalidade da martensita formada após o processo de têmpera. Este endurecimento é obtido apenas na região superficial da peça onde foi difundido o carbono. À medida que nos deslocamos para o interior da peça, o teor de carbono diminui gradativamente até a composição do aço utilizado, como conseqüência a dureza também diminui de forma gradativa mantendo-a inalterada na região do núcleo conservando as propriedades mecânicas do aço. [2]

A figura 01 mostra um perfil de dureza para o aço AISI 8620, obtido em cementação gasosa.

Figura 01: Gradiente da diminuição da dureza da superfície para o núcleo da peça. [1]

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O método de cementação consiste essencialmente na austenitização da peça num meio rico em carbono, fazendo com que este difunda para o interior da peça formando uma camada superficial rica em carbono. [1, 2 e 3]

Após a difusão do carbono é feita uma têmpera seguida de revenido para que se obtenha a máxima dureza.

Como o processo envolve a difusão do carbono, é necessário um tempo para que este ocorra. Tempos crescentes resultam em camadas cementadas mais espessas. Como conseqüência, tem-se um perfil de dureza associado ao perfil de concentração de carbono.

A temperatura é outro fator importante na cementação. Temperaturas mais elevadas aumentam a cinética de difusão do carbono acelerando o processo de cementação. A figura 02 mostra o efeito combinado da temperatura e do tempo na espessura de uma camada cementada.

Os aços comumente utilizados na cementação, são os que apresentam baixos teores de carbono como a AISI 1020/8620/5115/4320/5120 e similares, que possuem de 0,10 a 0,25% C, e a temperatura de tratamento varia entre 900 e 950 ºC, embora possam ser utilizadas temperaturas na faixa de 850 a 1000 ºC.

A máxima dureza atingida depois da têmpera nos aços ao carbono ocorre para um teor de carbono de 0,8%. Para teores superiores a este a dureza cai devido à retenção de austenita. Este percentual pode variar para aços que tenham maior tendência à retenção de austenita,

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como acontece com os aços contendo níquel. Como resultado da retenção da austenita pode-se ter uma dureza menor na superfície da peça.

A cementação pode ser dividida em sólida (ou em caixa), líquida, ou gasosa. No trabalho realizado foi utilizado a cementação gasosa, que atualmente é a mais utilizada nas empresas.

2.2.1 Cementação gasosa

Na cementação gasosa o carbono é fornecido por um gás de hidrocarboneto como propano, etano, metano. O propano é o mais usado. Em geral, o gás é parcialmente oxidado em um dispositivo denominado gerador para produzir uma atmosfera de CO e H2 que é fornecida ao forno. A quantidade de CO no interior do forno é o que garante o potencial de carbono da atmosfera. A atividade de carbono é controlada de modo a produzir uma camada superficial com teor de carbono na faixa de 0,8%.

As variáveis mais importantes do processo são a temperatura, o tempo e a composição da atmosfera. Outras variáveis incluem o grau de circulação da atmosfera no interior do forno e o teor de elementos de liga presentes no aço. O coeficiente de difusão do carbono na austenita determina o tempo necessário para a obtenção de uma determinada profundidade de camada:

onde “p” é a profundidade da camada cementada em [m]; “t” o tempo em [s] e D, o coeficiente de difusão do C em [m²/s], definido como:

onde D0 é o coeficiente de difusão inicial em [m2/s]; Qd, é a energia de ativação para difusão em [cal/mol], R é a constante dos gases [1,987 cal/mol.K] e T, a temperatura absoluta [K]. [4] Verifica-se que o coeficiente de difusão depende fortemente da temperatura do processo. Por exemplo, o coeficiente de difusão do carbono a 925ºC é 40% maior que a 870ºC. A figura 03 mostra o efeito da temperatura no tempo de cementação do aço AISI 8620 para 1,5 mm de camada.

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Fundamentalmente a cementação é um fenômeno de difusão, entretanto o seu tratamento apresenta alguns fatores importantes como:

1. Teor inicial de carbono – se todas as variáveis permanecerem constantes quanto menor o teor de carbono no aço mais rápido ocorrerá a carbonetação. Desta forma irá formar uma camada extremamente rica em carbono que a partir daí dificultará a difusão superficial do carbono predominando a difusão intergranular.

2. Coeficiente de difusão do carbono no aço – fator de primordial importância, pois o que se visa na cementação é a solução do carbono no ferro gama que é determinado pela velocidade do fluxo de carbono no ferro gama, que é o coeficiente de difusão. Este por sua vez é uma função da temperatura e da concentração de carbono no ferro gama.

3. Temperatura – Outro fator importante, pois além de controlar a difusão, tem influência também na concentração da austenita e na velocidade de reação de carbonetação na superfície do aço. Em temperaturas mais elevadas a cementação possui certas vantagens como um melhor gradiente de distribuição de carbono entre a superfície e o núcleo, devido a maior velocidade de difusão.

4. Concentração de carbono na austenita – quanto maior a concentração de carbono disponível para a austenita maior será a velocidade de difusão.

Figura 03: efeito da temperatura no tempo de cementação do aço AISI 8620 para obtenção de uma camada de 1,5 mm. [1]

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5. Natureza do agente carbonetante – As reações envolvendo a transferência de carbono ocorrem na superfície do aço. Esta também depende do agente carbonetante.

6. Velocidade de fluxo de gás – influencia na velocidade de reação na superfície do aço. Outro fator que se busca num processo de cementação com relação à peça, é a forma da camada cementada. Em termos de qualidade do processo é impróprio para utilização, peças que apresentam camadas superficiais com altos teores de carbono seguido de uma queda brusca desta concentração. Esta diferença de concentrações em que a região superficial apresenta-se fragilizada, com uma mudança brusca para um núcleo tenaz com baixos teores de carbono pode causar sérios problemas ao produto como distorções, desplacamento, etc. O que se espera é uma diminuição suave da concentração de carbono da superfície para o núcleo, evidenciando a qualidade do processo de cementação e consequentemente do produto final.

2.3 TÊMPERA

Consiste no aquecimento do aço acima da linha A3 (formação da austenita em aços hipoeutetóides) e um resfriamento rápido em um meio com óleo, água, salmoura, ou mesmo ar para determinados tipos de aços. O objetivo da têmpera é a formação da estrutura martensítica.

A estrutura martensítica, promove alterações em algumas das propriedades mecânicas do aço, como o aumento do limite de sua resistência à tração, aumento da dureza, aumento da resistência ao desgaste, etc.

2.3.1 Tensões residuais na têmpera

No tratamento térmico de têmpera, o aço alcança a temperatura de austenitização entre 815 e 870 ºC, seguido de resfriamento rápido não uniforme e a martensita resultante se caracteriza por elevada dureza e tensões internas consideráveis devido a suas células unitárias tetragonais. A excessiva dureza e tensões residuais internas são atenuadas através do tratamento térmico de revenimento.

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2.3.2 Formação da martensita na têmpera

A martensita é uma estrutura metaestável constituída de solução sólida supersaturada de carbono na ferrita. Ela é formada através do resfriamento rápido do aço de sua região austenítica, de modo que não cruze a curva TTT, em temperaturas menores que 220 ºC aproximadamente. O estudo da transformação martensítica é importante para engenharia pela capacidade que a martensita possui de endurecer e aumentar a resistência de muitos aços [2].

A transformação da austenita em martensita ocorre ao se ultrapassar a temperatura crítica, denominada temperatura Ms. A martensita é estruturalmente estável e possui menor energia livre. A reação martensítica em ligas Fe-C não ocorre por difusão e sim por um rearranjo cooperativo dos átomos e o deslocamento relativo de um átomo não é maior que a distância interatômica.

A figura 04 mostra como o eixo “c” da célula unitária aumenta da estrutura CCC para a estrutura TCC representando o aumento da tetragonalidade da célula martensítica. Correspondentemente, o eixo “a” diminui. Esta distorção da célula unitária CCC para célula unitária TCC é uma conseqüência direta da pressão exercida pelos átomos de carbono da solução supersaturada que é a martensita.

A martensita formada depende principalmente da quantidade de carbono na liga. Existem dois tipos principais: o tipo I, martensita tipo ripas; e o tipo II, martensita tipo discos. A martensita em ripas é característica de ligas Fe-C com até 0,6% de carbono. Acima de 1,0%

Figura 04: Variação de alguns parâmetros da austenita e da martensita em função da quantidade de carbono. [5]

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de carbono, é característico a martensita em discos. Com teores de carbono entre 0,6 e 1,0% ocorre uma fase de transição, onde surge uma estrutura que mescla estruturas em ripas e discos. Na fase transitória a quantidade de martensita em discos aumenta com o aumento do teor de carbono e a martensita em ripas diminui. Este aumento do teor de carbono resulta num aumento do grau de tetragonalidade da martensita provocando maiores distorções na rede cristalina. [5]

2.4 REVENIMENTO

O revenimento é um processo de aquecimento do aço, após a tempera, a uma temperatura abaixo da faixa de transformação. O seu objetivo é reduzir a fragilidade do aço provocado pela tempera, melhorando sua ductilidade e resistência à tração, diminuindo a dureza. As tensões internas provocadas pela tempera também são reduzidas.

Durante o tratamento de revenimento, dependendo da temperatura, ocorrem diversas reações do estado sólido. As mais importantes são: transformação da martensita tetragonal para martensita cúbica, segregação de carbonos, precipitação de carbetos, decomposição da austenita retida, recuperação e recristalização da matriz ferrítica.

A figura 06 mostra uma representação esquemática do tratamento de tempera seguido de revenido para um aço ao carbono.

Figura 05: Representação dos tipos de martensita formados com a variação da quantidade de carbono e suas respectivas temperaturas de início de transformação. [5]

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2.5 AÇO SAE 8620H

O aço utilizado na fabricação dos anéis da junta homocinética em análise, é o AISI 8620H, cuja composição química pode ser visualizada na quadro 01.

Aço C (%) _(%)Mn _(%)Cr _(%)Ni Mo _(%) _(%)Si _(máx.)% Cu _(máx.)% O _(máx.)% Al _(máx.)% P _(máx.)% S

8620H 0.17 _0.23 0.60 _0.95 0.35 _0.65 0.35 _0.75 0.15 _0.25 0.15 _{0.30 0.30 0.0020 0.050 0.025} 0.015

É uma liga recomendada e extensivamente utilizada para aplicações de cementação e carbonitretação. O níquel melhora as características de tenacidade e ductilidade. O cromo e o molibdênio contribuem para aumentar a camada endurecida por cementação e a resistência ao desgaste. A liga bem balanceada permite a obtenção de dureza elevada na camada cementada combinado alta resistência ao desgaste com uma resistência do núcleo da ordem de 860 MPa após a operação de tratamento térmico. A sua composição permite, ainda, uma boa usinabilidade, antes do tratamento de cementação, têmpera e revenido.

As principais aplicações para esta liga são elementos de máquinas e peças para indústria automobilística, tais como, eixos chavetados, êmbolos, anéis, engrenagens, eixos com cames, rolamentos, e outras aplicações de engenharia [7].

Quadro 01 – Composição química do aço AISI 8620H, utilizado na fabricação dos anéis [6]. Figura 06: Representação esquemática do tratamento de tempera e revenido de um aço ao carbono. [5]

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3. MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 INTRODUÇÃO

Conforme descrito, este trabalho tem por objetivo estudar a causa do fechamento do diâmetro interno ranhurado (DIR) dos anéis da junta homocinética, ocorrido após o processo de cementação, têmpera e revenido. A figura 07 mostra a foto do anel em estudo.

Os anéis são conformados a frio e posteriormente usinados. Nesta etapa é feito, além de outras operações, o ranhurado no diâmetro interno da peça. Este diâmetro interno é medido, na usinagem, através de um relógio comparador, calibrado com uma peça padrão. A tolerância de variação dimensional do “DIR” é de 20 centésimos de milímetro para mais ou para menos do valor nominal (peça padrão). Após a usinagem as peças são submetidas ao tratamento térmico de cementação, seguido de têmpera e revenido, para conferir a dureza superficial mínima de 59 HRc. Após este tratamento as peças seguem para o setor de Controle de Qualidade da empresa (CQ), onde é feita a inspeção final. Uma delas é a medição do “DIR” através do instrumento calibrador “passa / não-passa”.

O “DIR” das peças apresentava um fechamento, após o tratamento térmico, na faixa de 50 centésimos da nominal, causando problemas de não-conformidade para sua aprovação no CQ final.

Na busca da determinação de uma solução para este problema, foram realizados ciclos de tratamentos de cementação variando o percentual de carbono na atmosfera e o tempo de cementação.

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3.2 AMOSTRAGEM

Para analisar as variações dimensionais ocorridas nos anéis entre os testes de cementação realizados, as amostras foram colocadas em posições pré-estabelecidas no forno juntamente com a carga. Após a realização de cada processo foi medida a dureza na superfície, no núcleo e a profundidade da camada cementada. Foi medido também o “DIR” com o relógio comparador e com o calibrador “Passa / Não-Passa”.

Além destas medições foram realizadas análises metalográficas para verificar possíveis alterações microestruturais visíveis ao microscópio ótico.

3.3 FORNO

O forno utilizado foi um modelo IPSEN em “T”, conforme representado na figura 08. As peças são introduzidas no forno através da porta “P1” na região “R1” onde ocorre o processo de cementação. Esta possui uma hélice “H1” responsável pela circulação da atmosfera no interior do forno. Através da esteira “E1” as peças são transportadas à região “R2”, onde são resfriadas com ajuda do ventilador “V1”, até a temperatura em que serão submetidas a têmpera em óleo. O revenido é feito na região “R2” do forno, e posteriormente as peças são retiradas através da porta “P2”.

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3.4 METODOLOGIA

3.4.1 Amostras no forno

A carga do forno foi dividida em quinze zonas: cinco na base da carga, cinco no meio e cinco no topo da carga. Esta divisão foi feita para verificar se a posição das peças no interior do forno causaria alterações significativas no resultado dos testes, pois a circulação da atmosfera carbonetante no interior do forno é um fator importante na cementação [2].

As zonas foram contadas a partir da zona um (01), no sentido anti-horário, conforme figura 09, sendo que as amostras do centro da carga foram consideradas as últimas em cada altura.

As principais variáveis do processo de cementação são o tempo, a temperatura e o potencial de carbono no interior do forno. Conforme estudos mostrados por CHIAVERINI [1, 4 e 5], quanto maior a temperatura do forno, maior a cinética de difusão do carbono para o interior da peça. No trabalho realizado a temperatura foi mantida constante em 950 ºC.

Desta forma, foram realizados quatro ciclos de tratamento com a mesma temperatura (950 ºC) variando o tempo de processo e o potencial de carbono na atmosfera. O primeiro ciclo foi o mesmo que já era realizado pela empresa, porém a temperatura foi ajustada para 950 ºC, pois este era realizado em temperaturas na faixa de 920 ºC. A temperatura e o potencial de carbono são mantidos constantes, por um determinado período de tempo. Após este período a temperatura e o potencial de carbono são diminuídos e a carga é submetida à têmpera.

As principais características controladas após o processo de tratamento térmico estão representadas no quadro 02 e os diferentes ciclos de tratamentos descritos realizados estão mostrados no quadro 03.

Figura 09: Esquema de disposição das peças no forno. Entrada do Forno

Base do Forno Topo do Forno

Zona 1

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Dureza Superficial

Mínima (HRc) Dureza Núcleo Máxima (HV)

Camada Pista (mm) Camada Diâmetro (mm) Camada “DIR” (mm) Dispositivo

“Passa” “Não-passa” Dispositivo 59 Máxima 420 1,25 _1,60 1,25 _1,60 0,30 _1,60 Ok Ok

3.4.2 Locais de medição na peça

A figura 10 mostra as regiões da peça em estudo onde foram realizadas as medições. A figura 11 representa esquematicamente os locais de realização das medições das durezas.

Dureza Superficial

Corte transversal pelo centro da peça Perfil de microdureza pista Dureza do Núcleo

Figura 11: Corpo de prova e locais de medição da dureza.

Perfil de microdureza “DIR”

Locais de medições nas amostras:

Quadro 02: Algumas das especificações do cliente para os anéis de transmissão.

Pista

Diâmetro Externo

DIR

Figura 10: Representação das regiões que compõe o anel de transmissão em estudo.

(28)

A dureza superficial foi medida em HRc em três diferentes pontos da superfície da peça. As outras durezas foram medidas em HV. Os valores encontrados foram dispostos em tabelas e comparados com as especificações do cliente.

O diâmetro interno ranhurado (DIR) foi medido através do calibrador “passa / não-passa” e através de relógio comparador, permitindo a analise de suas variações em cada ciclo realizado.

Em cada um dos ciclos foi retirada uma amostra para a medição do seu perfil de dureza, para verificar se o ciclo realizado resultaria num baixo gradiente de diminuição da dureza da superfície para o núcleo. O cuidado de controlar diminuições bruscas de durezas da superfície para o interior da peça, garante que alguns problemas sejam evitados como altas concentrações de tensões, desplacamento, etc.

No primeiro ciclo foram medidas duas peças de cada zona do forno. Como os valores encontrados eram próximos e o tempo para a realização da medição de duas peças era longo, nos próximos ciclos as medidas foram realizadas em apenas uma amostra de cada zona da carga, ou seja, cinco peças da base, cinco do meio e cinco peças do topo da carga.

3.4.3 Ciclos de cementação

No início do processo de cementação as peças submetidas apresentam maior afinidade para absorção do carbono. Com isso surgiu a idéia da realização de patamares de potencial de carbono, enriquecendo de carbono a superfície do material no período inicial do processo, e diminuindo os potenciais com o passar do tempo. A escolha dos tempos e dos potenciais de carbono utilizados foram com base em experiências anteriores do gerente de tratamento térmico Luiz Fernando Ramires e com base no ciclo de tratamento atual da peça. A temperatura da têmpera ficou na faixa de 850 a 870 ºC e a temperatura do óleo entre 120 a 150 ºC. Estas temperaturas foram padronizadas em todos os testes realizados, conforme apresentados na tabela 03.

Após o tratamento térmico o diâmetro interno da peça foi medido com o calibrador “passa – não-passa” e o relógio comparador. A profundidade da camada cementada foi medida com base no perfil de dureza, tendo como base o final da camada na dureza de 59 HRc. Os dados foram anotados, comparados e avaliados posteriormente.

A tabela 03 mostra de modo simplificado o ciclo normal que era realizado para cementação das peças, e os quatro ciclos realizados neste trabalho.

(29)

Quadro 03: Ciclo de cementação que era realizado nas peças e os ciclos que foram realizados em cada teste.

Potencial de Carbono: 1,15% (10 horas); 0,70% (02 horas); Temperatura: 920 °C (10 horas); resfriado a 870 °C (10 min.); Temperatura do óleo: 120 °C. 40 minutos em óleo;

Normal

Revenimento: 180 °C por 02 horas; restante ao ar;

Potencial de Carbono: 1,15% (10 horas); 0,70% (02 horas); Temperatura: 950 °C (10 horas); resfriado a 870 °C (10 min.); Temperatura do óleo: 120 °C. 40 minutos em óleo;

Ciclo 01

Potencial de Carbono: 1,25% (30 min.); 1,10% (04 horas); 0,70% (3,0 horas);

Temperatura: 950 °C (7,5 horas); resfriado a 870 °C (10 min.) com potencial 0,70% ;

Temperatura do óleo: 120 °C. 40 minutos em óleo; Ciclo 02

Potencial de Carbono: 0,90% (15 min.); 1,25% (30 min.); 1,10% (4,0 horas); 0,70% (1,50 horas);

Temperatura: 950 °C (6h15min); resfriado a 870 °C (10 min.), com potencial de carbono de 0,60%.

Temperatura do óleo: 120 °C. 40 minutos em óleo; Revenimento: 180 °C por 02 horas; restante ao ar; Ciclo 03

Obs. Foram colocados tarugos no diâmetro interno das peças testadas. Ciclo 04 Igual ao ciclo 03, porém sem a adição do tarugo no diâmetro interno das

peças.

No ciclo 01, foi feito o procedimento convencional, porém a uma temperatura mais elevada, pois o processo era realizado com temperatura de 910-930 ºC, e foi elevada para 950 ºC. Sabendo que a temperatura é o principal fator para o aumento da cinética de difusão do carbono no aço, espera-se que o tempo do processo diminua. O problema a ser verificado é a variação dimensional do “DIR”, pois com este aumento de temperatura, as tensões residuais em função de um eventual aumento do tamanho de grão, também deverão aumentar.

(30)

No ciclo 02 foi utilizado basicamente o mesmo princípio do ciclo 01, porém submetendo as peças a maiores teores de carbono no início do processo, promovendo um enriquecimento acelerado de carbono superficial, e diminuindo o teor de carbono no final do processo. A quantidade ideal de carbono na atmosfera no final do processo é próxima de 0,8% de carbono, pois permite a difusão do carbono superficial para o interior da peça, e evita a descarbonetação da superfície. Estas alterações foram feitas para verificar a hipótese de diminuir o tempo do processo e analisar diferenças com relação à qualidade do produto.

No ciclo 03, foram colocados tarugos no diâmetro interno ranhurado (DIR) dos anéis, com o objetivo de dificultar o processo de difusão do carbono nesta região. O carbono se difunde na superfície da peça através da circulação da atmosfera carbonetante sobre a mesma. Com o tarugo, é de se esperar que essa circulação pelo interior do “DIR” seja bastante dificultada, diminuindo a quantidade de carbono nesta região. Esta modificação foi feita para analisar a hipótese de redução das distorções causadas pela diminuição do teor de carbono da martensita.

Outra modificação do ciclo 03 foram os patamares de potenciais de carbono durante o processo. O objetivo foi de disponibilizar uma grande quantidade de carbono no início do processo, pois nesta etapa a cinética de difusão é muito maior na superfície em relação aos contornos de grãos do material e dentro dos grãos. A superfície do metal inicialmente está em condições ideais para absorção de carbono, apresentando temperaturas elevadas, e baixo teor de carbono. Após essa absorção inicial, forma-se uma barreira com alto teor de carbono na superfície, pois este não teve tempo suficiente para difundir-se para o interior do metal (difusão intergranular e transgranular). Com base nesta hipótese, é feito uma diminuição do potencial de carbono, suficientemente para não ocorrer descarbonetação da superfície, e programado certo tempo para que ocorra a difusão do carbono para o interior do metal.

O tamanho de grão é de grande importância para a difusão. Neste caso, o material que apresentar uma estrutura granular refinada, possui maior difusividade intergranular. Esta maior difusividade intergranular resulta numa menor permanência da peça no forno, que evita o crescimento do tamanho de grão austenítico do material.

No ciclo 04, foi repetido o mesmo ciclo anterior (três), porém sem a adição dos tarugos. Desta forma, verificou-se o quanto os tarugos influenciaram nos resultados anteriores.

(31)

Figura 12: Ciclo 01 do tratamento térmico de cementação realizado no forno. 4. RESULTADOS E ANÁLISES

4.1 CICLO DE TRATAMENTO TÉRMICO 01

Conforme descrito na metodologia, a diferença do ciclo 01 para o ciclo convencional foi a alteração da temperatura para 950 ºC. Como a quantidade de carbono na atmosfera e o tempo do processo não foram modificados, o aumento da temperatura aumentou a cinética de difusão do carbono, resultando numa camada cementada mais profunda. A figura 12 mostra o ciclo 01 realizado pelo forno.

O aumento da temperatura, também permitiu que o carbono se difundisse para as regiões mais internas da peça. Isto é confirmado nas espessuras das camadas cementadas formadas tanto na pista quanto no diâmetro (1,60 a 1,90 mm), e no “DIR” (1,50 a 1,80 mm), valores acima da espessura máxima especificada pelo cliente, mostrado no quadro 02. O fechamento do “DIR” das peças também foi superior aos valores especificados pelo cliente, resultado verificado pelo lado “Passa” do dispositivo “Passa / Não-Passa”, após a retirada do forno. O quadro 04 mostra os resultados de todas as medições realizadas.

A figura 13 mostra um gráfico com as medições do “DIR” feitas através de um relógio comparador (que compara o “DIR” da peça com uma peça padrão), antes e após o tratamento térmico do ciclo 01. Nota-se no gráfico que, antes do tratamento térmico, as peças apresentavam valores do diâmetro superiores à peça padrão, na faixa de 20 centésimos de milímetros (tolerância máxima permitida no processo). Cientes do fechamento do “DIR” após o tratamento térmico, o setor de usinagem produzia essas dimensões no valor máximo

(32)

tolerado. Após o tratamento térmico, as peças apresentavam, em sua maioria, um fechamento na faixa de 40 a 60 centésimos de milímetros.

O fechamento do diâmetro interno ranhurado (DIR) neste ciclo foi bastante significativo, pois era exigido pela especificação do cliente, um valor máximo de 20 centésimos de milímetros de variação do valor nominal.

Devido aos resultados apresentados pelas peças submetidas ao ciclo 01, as outras etapas do trabalho como metalografia e perfil de durezas não foram realizadas para este ciclo.

Teste n° 01

Zonas Peça _SuperfícieDureza Dureza _Núcleo Camada _Pista _DiâmetroCamada Camada _“DIR” Dispositivo _“Passa”

1 60 441 1,63 1,70 1,65 1 ₂ ₆₀ ₄₄₈ _1,67 _1,80 _1,75 Fechado 1 60 440 1,65 1,65 1,60 2 ₂ ₆₀ ₄₄₂ _1,70 _1,70 _1,70 Fechado 1 61 441 1,90 1,90 1,80 3 ₂ ₆₁ ₄₅₁ _1,90 _1,90 _1,80 Fechado 1 61 443 1,75 1,75 1,75 4 ₂ ₆₀ ₄₅₀ _1,70 _1,75 _1,65 Fechado 1 60 442 1,75 1,75 1,75 5 ₂ ₅₉ ₄₂₈ _1,80 _1,80 _1,85 Fechado 1 62 430 1,60 1,60 1,60 10 ₂ ₆₂ ₄₄₂ _1,75 _1,75 _1,60 Fechado 1 61 399 1,65 1,65 1,65 11 ₂ ₆₂ ₄₀₁ _1,80 _1,85 _1,70 Fechado 1 60 428 1,60 1,60 1,60 12 ₂ ₆₁ ₄₁₉ _1,75 _1,80 _1,70 Fechado 1 60 406 1,75 1,80 1,70 13 ₂ ₆₂ ₄₃₇ _1,80 _1,80 _1,75 Fechado 1 61 393 1,60 1,60 1,65 14 ₂ ₆₂ ₄₂₀ _1,60 _1,60 _1,50 Fechado 1 60 417 1,75 1,80 1,60 15 ₂ ₆₀ ₄₂₇ _1,80 _1,80 _1,75 Fechado

Especificado _{(HRc) 59}Mínimo _{(HV) 420}Máximo 1,25 _1,60 1,25 _1,60 0,30 _1,60

Teste 01 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 antes TT após TT

Quadro 04: Resultados das durezas e do fechamento do “DIR” das peças submetidas ao ciclo 01.

(33)

Figura 14: Ciclo 02 do tratamento térmico de cementação realizado no forno. 4.2 CICLO DE TRATAMENTO TÉRMICO 02

Como descrito na metodologia, neste ciclo foram realizados patamares de potencial de carbono, durante o processo de cementação, disponibilizando uma maior quantidade de carbono na atmosfera no início do tratamento, diminuindo o teor de carbono posteriormente, e mantendo a temperatura em 950 ºC. A figura 14 mostra o ciclo 02 realizado pelo forno.

O enriquecimento superficial de carbono na peça foi acelerado, devido ao alto teor de carbono na atmosfera, favorecendo a difusão superficial. Após a saturação de carbono na superfície, o potencial do mesmo foi diminuído e este, através da difusão intergranular e transgranular, migra para o interior da peça, num tempo pré-determinado.

Com o tempo reduzido do processo, as espessuras das camadas cementadas e a dureza em direção ao do núcleo da peça reduziram. O quadro 05 mostra os resultados obtidos no ciclo 02.

A diferença do ciclo 02 em relação ao anterior é o tempo do processo. No ciclo 01 o tempo de tratamento das peças é de aproximadamente 12 horas, no ciclo 02, este tempo reduz para aproximadamente 7,5 horas. Uma redução de tempo de aproximadamente 40%.

O principal problema, não foi solucionado, o “DIR” continuou mais fechado que o especificado, verificado novamente pelo lado “Passa” do dispositivo “Passa / Não-Passa”.

A figura 15 mostra um gráfico com as medições do “DIR” feitas com o relógio comparador antes e após o ciclo 02. Pode-se analisar que após o processo de usinagem, as peças estão com diâmetros acima do valor nominal na faixa de 20 centésimos de milímetros, e que há uma estabilidade dimensional. Após o tratamento houve um fechamento bastante

(34)

significativo desta região, porém os resultados foram melhores do que os resultados do ciclo 01.

Teste n° 02

Zonas Peça Dureza

Superfície Dureza Núcleo Camada Pista Diâmetro Camada Camada “DIR” Dispositivo “Passa”

1 1 61-63 438 1,50 1,55 1,50 Fechado 2 1 62 433 1,60 1,60 1,50 Fechado 3 1 60-61 450 1,65 1,75 1,60 Fechado 4 1 61 452 1,50 1,55 1,45 Fechado 5 1 59-61 420 1,50 1,60 1,55 Fechado 6 1 61 426 1,50 1,55 1,45 Fechado 7 1 61-62 417 1,45 1,50 1,40 Fechado 8 1 60-61 437 1,60 1,60 1,50 Fechado 9 1 60 417 1,45 1,50 1,40 Fechado 10 1 60-61 439 1,55 1,60 1,55 Fechado 11 1 60-61 417 1,40 1,55 1,35 Fechado 12 1 60-61 414 1,45 1,50 1,35 Fechado 13 1 60-61 410 1,40 1,50 1,40 Fechado 14 1 60-61 420 1,40 1,50 1,35 Fechado 15 1 60-61 426 1,50 1,50 1,40 Fechado

Especificado _{(HRc) 59}Mínimo _{(HV) 420}Máximo 1,25 _1,60 1,25 _1,60 0,30 _1,60

Teste 02 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 antes TT após TT

Tabela 05: Resultados das durezas e do fechamento do “DIR” das peças submetidas ao ciclo 02.

(35)

Figura 16: Ciclo 03 do tratamento térmico de cementação realizado no forno. 4.3 CICLO DE TRATAMENTO TÉRMICO 03

Neste ciclo as condições do tratamento sofreram maiores alterações resultando em mudanças significativas nas profundidades de camada cementada do “DIR”, na sua variação dimensional e no tempo de processo. A temperatura foi mantida em 950 ºC, e foram feitos patamares de potencial de carbono ao longo do tratamento e o tempo de processo foi reduzido. A figura 16 mostra o ciclo 03 realizado pelo forno.

Nos primeiros quinze minutos o potencial de carbono foi de 0,90%, com objetivo de aproveitar a etapa de aquecimento do forno para o início da difusão do carbono na peça. Com a temperatura ainda baixa, optou-se em não elevar-se o potencial inicial de carbono a valores superiores a 0,90%, pois não se tinha ainda uma temperatura ótima de difusão. Este controle inicial evitou a formação de fuligem no interior do forno.

Após atingir a temperatura de 950 ºC, o potencial de carbono foi elevado a 1,25% por meia hora, enriquecendo a superfície do aço de carbono. Posteriormente ajustou-se o potencial para 1,10% por quatro horas, permitindo que ocorresse a difusão do carbono da superfície enriquecida para o núcleo e continuando a enriquecer a superfície numa proporção menor devido à barreira de carbono já formada.

Na última hora e meia, o potencial de carbono foi ajustado em 0,70% para dar suporte à difusão intergranular e transgranular, sem permitir a descarbonetação da superfície. Neste ciclo, o tempo do processo de tratamento foi reduzido para seis horas e quinze minutos.

Neste teste foram colocados, no “DIR”, tarugos como forma de dificultar a circulação da atmosfera nestas regiões das peças.

Os resultados obtidos neste ciclo, mostrados no quadro 06, mostraram que o teor de carbono da superfície não apresentou grandes alterações, pois a dureza superficial manteve-se

(36)

Quadro 06: Resultados das durezas e do fechamento do ”DIR” das peças submetidas ao ciclo 03.

conforme os testes anteriores. A dureza do núcleo foi reduzida de maneira significativa, pois a redução do tempo de processo resultou numa menor difusão de carbono da superfície da peça até o seu núcleo. Verificou-se que nestas condições, os resultados apresentados atenderam todas as especificações exigidas pelo cliente.

A espessura da camada cementada da pista e do diâmetro apresentaram diminuições, e a espessura no “DIR”, apresentou uma redução significativa com valores na faixa de 0,60 a 0,90 mm.

A redução da espessura da camada cementada na região do diâmetro interno ranhurado (DIR) foi devido à adição do tarugo, pois este dificultou a circulação da atmosfera e impediu a difusão do carbono nestas regiões.

O fechamento do “DIR”, que é o principal problema em estudo, apresentou valores dimensionais dentro da faixa especificada. O quadro 06 mostra o resultado das medições feitas pelo lado “Passa” do dispositivo “Passa / Não-Passa”, aprovando 100% das peças. A figura 17 mostra um gráfico com o resultado das medições feitas no “DIR”, através do relógio comparador, antes e após o ciclo 03, onde se verificou uma variação dimensional inferior às apresentadas nos testes anteriores. Com a pequena variação apresentada neste ciclo, torna-se possível manter as variações dimensionais dentro das tolerâncias especificadas pelo cliente.

Teste n° 03

Dispositivo Zona _SuperfícieDureza Dureza _Núcleo Camada _Pista _DiâmetroCamada Camada _“DIR” _Passa Não-Passa 1 59 420 1,25 1,30 0,90 OK OK 2 59 412 1,40 1,45 0,65 OK OK 3 60 420 1,40 1,40 0,90 OK OK 4 59 415 1,25 1,30 0,75 OK OK 5 59 420 1,40 1,40 0,65 OK OK 6 59 415 1,25 1,20 0,70 OK OK 7 59 404 1,25 1,20 0,75 OK OK 8 59 420 1,40 1,40 0,80 OK OK 9 59 401 1,25 1,25 0,70 OK OK 10 59 390 1,35 1,40 0,65 OK OK 11 60 390 1,20 1,20 0,60 OK OK 12 59 393 1,25 1,20 0,65 OK OK 13 61 393 1,20 1,20 0,60 OK OK 14 59 415 1,20 1,25 0,75 OK OK 15 59 401 1,20 1,25 0,70 OK OK

(37)

Figura 18: Ciclo 04 do tratamento térmico de cementação realizado no forno. Teste 03 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 S P LI N E antes TT após TT 4.4 CICLO 04

Neste último teste, foi realizado o mesmo ciclo do teste anterior (ciclo 03), conforme já descrito na metodologia do trabalho e os resultados apresentados também foram semelhantes. A diferença entre este ciclo e o anterior foi a retirada dos tarugos do diâmetro interno ranhurado “DIR”, devido sua incompatibilidade com o processo produtivo, tendo em vista a mão-de-obra e o tempo despendido para tal tarefa.

Com apenas esta modificação em relação ao ciclo anterior, os resultados apresentaram alterações apenas onde o tarugo influenciara anteriormente, que eram as regiões da camada cementada do “DIR”, como a espessura de camada nesta região e sua variação dimensional.

(38)

Como pode ser visto no quadro 07, a dureza da superfície, do núcleo, as camadas cementada da pista e do diâmetro externo das peças não sofreram alterações, mantendo valores aceitáveis em relação às especificações.

A espessura de camada cementada do “DIR” aumentou consideravelmente, passando de 0,60 a 0,90 milímetros do teste anterior para a faixa de 1,20 a 1,50 milímetros. No entanto esta variação ficou dentro da faixa aceita pelas especificações do cliente para o produto, sendo aprovadas teste do dispositivo “passa / não-passa”.

A figura 19 mostra um gráfico com as medições do “DIR” feitas com o relógio comparador antes e após o ciclo 04.

Teste n° 04

Dispositivo Zona _SuperfícieDureza Dureza _Núcleo Camada _Pista _DiâmetroCamada Camada _“DIR” _Passa

Não-Passa 1 61 420 1,40 1,45 1,45 OK OK 2 59-60 414 1,45 1,45 1,50 OK OK 3 60 404 1,50 1,60 1,50 OK OK 4 60 418 1,45 1,50 1,30 OK OK 5 59 413 1,50 1,50 1,45 OK OK 6 60 420 1,30 1,30 1,20 OK OK 7 60 417 1,30 1,30 1,30 OK OK 8 60-62 410 1,40 1,45 1,40 OK OK 9 59-60 405 1,25 1,30 1,20 OK OK 10 60 410 1,45 1,45 1,35 OK OK 11 60 410 1,35 1,35 1,25 OK OK 12 60 383 1,40 1,40 1,30 OK OK 13 60-61 437 1,35 1,40 1,25 OK OK 14 60-62 386 1,30 1,35 1,25 OK OK 15 60-61 420 1,50 1,50 1,40 OK OK

Especificado _{(Hrc) 59}Mínimo _{(HV) 420}Máximo 1,25 _1,60 1,25 _1,60 0,30 _1,60

Teste 04 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 S P LI N E antes TT após TT

Quadro 07: Resultados das durezas e do fechamento do “DIR” das peças submetidas ao ciclo 04.

(39)

Tabela 01: Perfil de dureza das amostras em relação à profundidade da camada cementada dos testes realizados.

4.5 PERFIL DE DUREZA DO DIÂMETRO EXTERNO

Para verificar a forma da camada cementada, foi realizado o perfil de dureza do diâmetro externo em três amostras de cada ciclo. A média dos valores para cada ciclo está representada na tabela 01 e na figura 20.

Nota-se que os valores da dureza superficial das peças não tiveram grandes alterações, e que o gradiente da diminuição de dureza da superfície para o núcleo é bastante suave.

Profundidade Durezas (HV)

mm Teste 02 Teste 03 Teste 04

0,2 700,0 670,9 691,0 0,3 686,0 661,0 684,0 0,4 672,0 652,0 670,0 0,5 650,0 630,0 653,0 0,6 639,0 616,0 639,0 0,7 623,0 599,0 628,0 0,8 606,0 587,0 617,0 0,9 592,0 573,0 604,0 1,0 575,0 564,0 581,0 1,1 560,0 552,0 569,0 1,2 545,0 540,0 554,0 1,3 536,0 529,0 541,0 1,4 524,0 519,0 529,0 1,5 515,0 517,0 520,0 1,6 507,0 508,0 512,0

Figura 20: Representação gráfica do gradiente de diminuição da dureza da superfície do diâmetro interno para o núcleo da peça.

(40)

Figura 23: Metalografia do “DIR” da amostra. Teste 02, aumento 500X.

4.6 METALOGRAFIAS

Apenas com o microscópio ótico, é difícil analisar de forma mais detalhada o tipo da martensita formada, sua morfologia e concentrações. Pode-se visualizar, através das microestruturas mostradas nas figuras a seguir, uma maior quantidade de austenita residual (região clara) nos ciclos 03 e 04, representadas pelas figuras 24, 25, 26, 27, 28 e 29. A austenita residual pode ser um fator prejudicial para as propriedades da peça, pois reduz as propriedades mecânicas da peça e causa diminuição da sua dureza superficial. Analisando as figuras 30 e 31 que mostra o grão austenítico de uma peça submetida ao ciclo 02 e 03 respectivamente, conclui-se que as peças submetidas ao ciclo com menor tempo (ciclo 03) apresentaram menor crescimento do seu tamanho de grão austenítico.

Figura 21: Metalografia do núcleo da amostra. Teste 02, aumento 200X.

Figura 22: Matalografia do núcleo da amostra. Teste 02, aumento 500X.

(41)

(42)

Figura 30: Metalografia do grão austenítico da

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5. COMENTÁRIOS E CONCLUSÕES

O presente trabalho teve por objetivo eliminar o problema de variação dimensional dos anéis de transmissão. Isto se tornou possível através dos testes para a melhor compreensão do processo de cementação gasosa e das influências de seus parâmetros.

Com a realização dos testes apresentados neste trabalho, se conseguiu alcançar os objetivos desejados, cujo principal era a eliminação do problema da diminuição do diâmetro interno durante o tratamento térmico.

O ciclo 03 foi o que apresentou os melhores resultados em relação à variação dimensional das peças em estudo, porém a introdução de tarugos no diâmetro interno das peças, antes da realização do tratamento térmico, inviabiliza sua utilização devido ao custo adicional que esta operação representa.

Dos testes realizados, o que apresentou os melhores conjuntos de resultados foi o ciclo 04. Neste ciclo, todas as características principais, que eram especificadas pelo cliente para a peça, foram atendidas e o problema da variação dimensional foi controlado.

Verificou-se também que além de se conseguir controlar a redução excessiva do diâmetro interno ranhurado (DIR) das peças, durante o tratamento térmico, houve também uma redução significativa do tempo do processo. Esta redução foi superior a 40%, comparado com o processo realizado inicialmente (ciclo 01). Isto mostra que as peças ficaram no forno cerca de seis horas a menos que o ciclo inicial, reduzindo significativamente a possibilidade de crescimento de grãos, diminuindo o tempo do tratamento e gerando um resultado positivo para a empresa.

As durezas não apresentaram resultados muito diferentes em relação aos quatro testes realizados. Os dois primeiros testes apresentaram alguns valores para a dureza do núcleo acima das especificações. Conclui-se que este resultado apresentado é conseqüência do maior tempo das peças expostas a temperaturas favoráveis para a difusão, juntamente com o potencial de carbono da atmosfera do forno que continuava a enriquecer a superfície do material. Nos ciclos três e quatro, os tempos foram reduzidos de maneira significativa, dificultando a difusão do carbono mais para o interior da peça, mantendo um gradiente de dureza na superfície, porém evitando um aumento de dureza no núcleo.

Verificou-se também que as camadas cementadas do diâmetro externo e da pista no ciclo 01 foram bastante espessas e à medida que o tempo diminuiu nos testes posteriores (dois, três e quatro), as espessuras destas camadas diminuíram.

(44)

Verificou-se também que no teste três, a espessura da camada cementada do DIR foi consideravelmente baixa principalmente devido à adição dos tarugos nesta região, que dificultou circulação da atmosfera rica em carbono.

Pode-se considerar que um bom ajuste do potencial de carbono, juntamente com um tempo ideal de cementação, garante melhoria do processo.

6. SUGESTÕES

Como sugestão de estudo referente ao trabalho apresentado, seria interessante fazer uma análise de carbono, para verificação de sua quantidade nas peças submetidas a diferentes ciclos de tratamento, uma análise de difratometria de Raio-X para analisar a presença e a quantidade de austenita retida em cada ciclo realizado.

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7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] CHIAVERINI, V. Tecnologia Mecânica: processos de fabricação e tratamento. 2ª edição. Volume 2 – São Paulo: Pearson Education do Brasil, 1986.

[2] CHIAVERINI, V. Tratamentos Térmicos das Ligas Metálicas. São Paulo: Associação Brasileira de Metais, 2003.

[3] CHIAVERINI, V. Aços e Ferros Fundidos. 7ª edição ampliada e revisada – São Paulo: Associação Brasileira de Metais, 2002.

[4] CALLISTER, W.D. Materials Science and Engineering – An Introduction. 4th edition, 1997.

[5] SMITH, William F. Structure and properties of engineering alloys. 2nd_{ed. New York:} McGraw-Hill, 1993.

[6] Catálogos Villares referentes á: aços especiais para construção mecânica. Informações e composição química.

[7] UNTERWEISER, PAUL M. et alii. Heat Treater´s Guide - Standard Practices and Procedures for Steel. Ohio – EUA; 1982

[8] COLPAERT, H. Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns. São Paulo: Edgard Blücher, 1974.

[9] Van Vlack, L. H. Princípio de Ciência dos Materiais. São Paulo: Edgard Blücher, 1970.

[10] DEMÉTRIO, K. B. Estudo da causa da deformação do diâmetro interno de roscas de porcas no processo de fabricação. Florianópolis: UFSC, 2004. 59 p. TCC (Trabalho de Conclusão de Curso), em engenharia de materiais, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2004.