Tratamentos Termoquímicos [23] · Tratamentos Termoquímicos ¾Tratamentos termoquímicos:...
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Tratamentos Termoquímicos [23]
Projeto mecânico resistência ao desgaste+ tenacidade+ tenacidade
endurecimentosuperficial
Têmperafi i l
superficial
superficial
TratamentosVisualização das tensões no contato mecânico
t ilí d i d d t t
Tratamentostermoquímicos
entre engrenagens cilíndricas de dentes retos(efeito fotoelástico).
formação de uma
1>
formação de umasuperfície dura comnúcleo tenaz
Tratamentos Termoquímicos
Tratamentos termoquímicos: promover o endurecimento fi i l t é d i i t d i t ti i i (C N)superficial através do enriquecimento de intersticiais (C,N) por
difusão atômica, seguida de têmpera normalmente em óleo.
Processos industriais:
Cementação (C)sólida
Nitretação (N)líquida
Carbonitretação (C,N)gasosa
Ci t ã (C N)Cianetação (C,N)
2>
Tratamentos Termoquímicos
Fluxo de átomos quantidade de átomos por unidadeFluxo de átomos quantidade de átomos por unidade(J) de tempo por unidade de área.
Primeira Lei de Fick:- cálculo da difusão estacionária
(fluxo constante)
⎤⎡áreaunitária
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
⋅⋅−=
smátomos
dxdcDJ 2
unitária
D – coeficiente de difusão
⎦⎣ smdx
D = f(freqüência e deslocamento)[D] = [m2.s-1]
3>
Tratamentos Termoquímicos
Segunda Lei de Fick considera as variações de fluxo /Segunda Lei de Fick considera as variações de fluxo /concentração ao longo do tempo.
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
∂∂
⋅∂∂
=∂∂
xcD
xtc
⎠⎝ ∂∂∂ xxt
fl Jfluxo JSolução:
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⋅=
tD2xerfccc o
⎠⎝ ⋅⋅ tD2o
sendo co a concentração inicial, erfc a função erro complemen-
4>tar, D o coeficiente de difusão e t o tempo.
Tratamentos Termoquímicos
Variação do coeficiente de difusão D no ferro:
1E-11
1E-10 C Ti Fes]
Feγ
1E-13
1E-12 C Ti FeD
[m2 /s
Feα
1E-15
1E-14
difu
são
D
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⋅−
⋅=TR
QexpDD o
1E-18
1E-17
1E-16
nte
de d
austenitaFe
1E-20
1E-19
1E-18
oefic
ien Feγ
ferrita
500 600 700 800 900 1000 1100 1200 13001400
1E-21Co ferrita
Feα
Temperatura [oC]5>
Tratamentos Termoquímicos
Exemplo da difusão de carbono através da superfície:
concentraçãode
carbonocarbono
superfície centro
6>
superfície centro
austenita
Tratamentos Termoquímicos
Parâmetros do processo de cementação: Aço com baixo teor de carbono (C < 0,25%);Difusão de carbono na austenita;Di ibilid d d b i d t ãDisponibilidade de carbono no meio de cementação;temperatura entre 850 a 950°C para ↓ CGγ
Processos industriais para cementação: espessuras normalmente inferiores a 1 5mmespessuras normalmente inferiores a 1,5mmdurezas superficiais 50 – 65 HRCprocessos demorados (4 10 horas)processos demorados (4 – 10 horas)
meio gasoso (metano)meio gasoso (metano)meio líquido (banho de sal fundido, a base de cloretos,
carbonatos e cianeto de sódio)
7>
carbonatos e cianeto de sódio)meio sólido (carvão moído + catalisador “em caixa”)
Tratamentos Termoquímicos
Cementação em caixa:
22 COOC →+ O carbono existente no carvãoreage com o oxigênio do arreage com o oxigênio do ar, formando o dióxido de carbono. O carbonato de bário acelera o fornecimento de monóxido de carbono, induzindo a formaçãode cementita na superfície da
CO2CCO →+
de cementita na superfície dapeça cementada.
CO2CCO2 →+
3 CO2BaOCBaCO +⇔+
COCFeCO2Fe3 +→+32 BaCOCOBaO ⇔+
B CO 5 20%8>
23 COCFeCO2Fe3 +→+ BaCO3 – 5 a 20%
Tratamentos Termoquímicos
Cementação em aços:P t d i d 0 25%C ( í i ) óPretende-se criar uma camada com 0,25%C (no mínimo) apóscementação a 1000°C durante 1 hora. Supondo que a disponi-bilidade de carbono seja 1 5% na superfície temos:bilidade de carbono seja 1,5% na superfície temos:
17,05125,0
cco ≈= ⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−=
tD2xerf1
cc cosendo
5,1c ⎦⎣ ⎠⎝ ⋅ tD2c
97,0tD2
x83,0tD2
xerf cc ≈⋅
→≈⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⋅Usando tabelas
tD2tD2 ⋅⎠⎝ ⋅
Considerando os dados de difusividade do carbono temos107135 3 ⎞⎛
s/m107,2)2731000(314,8
107,135xpe1010,0D 2113
4 −−γ ⋅≈⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
+⋅⋅−
⋅⋅=
mm60x)3600()1072(2970x 11 ≈→⋅⋅⋅⋅= −
Logo, a espessura da camada cementada será estimada em
9>
mm6,0x)3600()107,2(297,0x cc ≈→=
Tratamentos Termoquímicos
Processamento e resultados:
Controle de espessura dacamada formada durantetratamento termoquímico
Lote de peças sendo preparadaspara tratamento termoquímico
10>
tratamento termoquímico
Fonte: http://www.citysteelht.com/surface_treatments.html
Tratamentos Termoquímicos
Camada cementada:
Micrografia de camada cementada, conseguida após 4 horas a 1000°C,g p ,
mostrando visível gradiente de concentração pela presença da
tit At it lcementita. Ataque: nital..
30 mm
Macrografia de uma engrenagemmostrando camada cementada commostrando camada cementada comtrincas resultantes de tratamento.
Ataque: reativo de iodo.
superfície 0 4 mm
11>
superfície 0,4 mm
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Efeito da temperatura e tempo na cementação:
900°C925°C950°C
875°C
900°C
850°C
825°C
12>
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Dureza da camada cementada:
Aços:
1020 (C)
4620(Ni, Mo)( , )
8620(Ni, Cr, Mo)
13>
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Nitretação: enriquecimento da superfície com nitrogênio, tili d i lí id it dutilizando meios gasosos ou líquidos nitrogenados
que contribuem para a formação de Fe2N.
Objetivos:obtenção de elevada dureza superficial;obtenção de elevada dureza superficial;aumento da resistência ao desgaste e à fadiga;melhoria da resistência à corrosão;melhoria da resistência à corrosão;
Processamento:Processamento:temperatura de tratamento entre 500 a 575°C;meio gasoso: camada com 0 65mm após 70 horas;meio gasoso: camada com 0,65mm após 70 horas;meio líquido: resultado anterior em 1 a 3 horas;
14>
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Nitretação iônica (plasma nitriding):
potência 1,5kV; 2Aatmosfera 80% N2/20% H2 com pressão 250 Patemperatura 400-480ºC durante 3-4 horas
15>
temperatura 400-480 C durante 3-4 horasdureza 1000-1200HV em camadas até 30μm de espessura
Fonte: http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S1517-70762009000200008&script=sci_arttext
Tratamentos Termoquímicos
Nitretação iônica (plasma nitriding):
Peça com 2m comprimentoe diâmetro 260mm sendo
Lote de peças sendo submetidoa nitretação a plasma
e diâmetro 260mm sendonitretada a plasma Camada nitretada
16>Fonte: http://www.jjcastings.com/plasma.htm
http://www.sfsa.org/tutorials/leverarm/Valve_23.htm
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Nitretação em meio gasoso:
23 H3N2NH2 +→
Nitretação em meio líquido:
sais de sódio: Na(CN); Na2CO3; Na(CNO);
17>sais de potássio: K(CN); K2CO3; K(CNO); KCl;
Tratamentos Termoquímicos
Camada nitretada:
Micrografia tirada de açoMicrografia tirada de açobaixo carbono mostrandoa camada nitretada (branca)( )uniforme na superfície.
Gráfico comparativo entreos diversos processos denitretação de aços
18>
nitretação de aços.
Tratamentos Termoquímicos
Cianetação: enriquecimento da superfície com carbono eit ê i tili d b h d i t f didnitrogênio, utilizando um banho de cianeto fundido ou
uma atmosfera gasosa adequada (amônia/metano).
Objetivos:bt ã d l d d fi i lobtenção de elevada dureza superficial;
aumento da resistência ao desgaste e à fadiga;
Processamento:Processamento:aços com baixo carbono ou baixa liga;temperatura de tratamento entre 750 a 870°C;temperatura de tratamento entre 750 a 870 C;meio líquido: camada com 0,1 a 0,3mm após 1hora;cuidados operacionais (os cianetos provocam asfixia).
19>
cuidados operacionais (os cianetos provocam asfixia).
Tratamentos Termoquímicos
Bibliografia:
Chiaverini, V. Aços e Ferros Fundidos. ABM, São Paulo, 5a ed 1987 pp 117 1425a. ed., 1987, pp. 117-142.
Colpaert, H. Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns Ed Edgard Blucher São Paulo 1974 pp 289 298Comuns. Ed. Edgard Blucher, São Paulo, 1974, pp. 289-298.
Chiaverini, V. Tratamentos Térmicos das Ligas Ferrosas.Assoc Bras Metais São Paulo 2a ed 1987 pp 99-131Assoc. Bras. Metais, São Paulo, 2a. ed., 1987, pp. 99-131.
American Society for Metals. ASM Handbook, Vol. 4: HeatTreating 10th ed 1991Treating. 10th ed., 1991.
www.citysteelht.com/surface_treatments.htmlhttp://www.sfsa.org/tutorials/leverarm/Valve 23.htmhttp://www.sfsa.org/tutorials/leverarm/Valve_23.htmhttp://www.scielo.br/scielo.php?pid=S1517-70762009000200008&script=sci_arttext
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