eleani maria da costa - dem/pucrs 1 tratamentos superficiais dentes de engrenagem temperadas por...
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TRATAMENTOS SUPERFICIAIS
Dentes de engrenagem temperadas por indução
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TRATAMENTOS SUPERFICIAIS
OBJETIVO
Endurecimento superficial do aço
visando
aumentar a resistência ao desgaste e à abrasão da superfície
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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
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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.
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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) Não produz grandes oxidações e descarbonetações no aço.
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PROCESSOS USUAIS DE TÊMPERA SUPERFICIAL
Por Chama Por indução Por laser Por feixe eletrônico
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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
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Equipamentos Pode ser feita manualmente ou com dispositivos especiais, com controle ótico de temperatura
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TÊMPERA SUPERFICIALUso da chama para tratamento de engrenagem
A profundidade de endurecimento pode ser aumentada pelo prolongamento do tempo de aquecimento. Podem ser atingidas profundidades de até 6,3 mm. O processo é uma alternativa de tratamento para peças muito grandes, que não caibam em fornos
Fonte:www.cimm.com.br
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A profundidade da camada temperada é controlada pela:
Intensidade da chama aplicada distância da chama aplicada tempo de duração da chama
aplicada
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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 p1/2 [l/cm2] Tempo de aquecimento
7 . p2 [s] Velocidade de movimento da torcha
72/ .p2 [cm/minuto]
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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.
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TÊMPERA POR INDUÇÃOVantagens:
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.
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TÊMPERA POR INDUÇÃO
A quantidade de calor gerada é dada pela lei de Joule:
Q= 0,239.i2 . R. t
i é a corrente em amperes R a resistência do condutor em ohms t o tempo que circula a corrente em segundos
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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
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BOBINAS PARA TÊMPERA POR INDUÇÃO
Fonte:V. Chiaverini: Aços e Ferros Fundidos
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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.
Fonte:www.cimm.com.br
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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
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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
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Fonte:www.cimm.com.br
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 LASERTÊMPERA POR LASER
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TÊMPERA POR LASER
VARIÁVEIS QUE CONTROLAM A PROFUNDIDADE DA CAMADA
Diâmetro do raio Intensidade Velocidade de varredura (100 polegadas/min.)
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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
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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
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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.) Fonte:www.cimm.com.br
TÊMPERA POR FEIXE ELETRÔNICOTÊMPERA POR FEIXE ELETRÔNICO
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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
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2- TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS DA SUPERFÍCIE
CEMENTAÇÃO NITRETAÇÃO CIANETAÇÃO CARBO-NITRETAÇÃO BORETAÇÃO
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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)
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2.1- CEMENTAÇÃOConsiderações 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 carbonoO 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).
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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)
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A cementação pode ser realizada por quatro processos:
Por via gasosa Por via líquida Por via sólida Por plasma
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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.
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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.
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CEMENTAÇÃO SÓLIDA OU EM CAIXACONSIDERAÇÕES 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
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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
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ATIVADORES
A presença do ativador contribui para aumentar a velocidade de formação do CO
n 1) BaCO3 BaO + CO2
n 2) CO2 + C 2 COn 2) 3Fe + 2CO Fe3C + CO2
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B- CEMENTAÇÃO LÍQUIDA
O meio carborizante é composto de sais fundidosNaCN, 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
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B- CEMENTAÇÃO LÍQUIDAVantagens 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
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B- CEMENTAÇÃO LÍQUIDACuidados:
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.
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C- CEMENTAÇÃO GASOSA
O meio carborizante é composto de uma mistura de GASES:
[CO2, H2, N2 (diluidor), (metano) CH4, (etano)C2H6, (propano)C3H8,..]
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C- CEMENTAÇÃO GASOSAVantagens 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
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C- CEMENTAÇÃO GASOSADesvantagens do processo:
A temperatura e a mistura caborizante necessitam rígido controle durante o processo
as intalações são complexas e dispendiosas
as reações são complexas.
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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.
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D- CEMENTAÇÃO POR PLASMAVantagens 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.
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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).
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A- TÊMPERA DIRETA SIMPLES
A PEÇA É TEMPERADA AO AR, DIRETAMENTE APARTIR DA TEMPERATURA DE CEMENTAÇÃO (850-950C).
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
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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
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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.
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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.
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LEIS DE FICK PARA DIFUSÃO
A SEGUNDA LEI DE FICK PARA DIFUSÃO PODE SER APLICADA PARA TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS
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SEGUNDA LEI DE FICK (dependente do tempo e unidimensional)
C= - D 2C t x2
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
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SEGUNDA LEI DE FICKuma 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 superfícieCo= Concentração inicialCx= Concentração numa distância xD= Coeficiente de difusãot= tempo
É a função de erro gaussiana
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DIFUSÃO
Fonte: Prof. Sidnei Paciornik do Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio
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2.2- NITRETAÇÃO
O endurecimento superficial é obtido pela ação do Nitrogênio (difusão).
Temperatura de nitretação: 500-600C
As peças são resfriadas ao ar ou em salmora
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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
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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.
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Processos de Nitretação
� a gás� líquida ou em banho de sal� Por Plasma
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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 (NH3).
A camada nitretada atinge 0,8 mm e dureza de 1000-1100 vickers.
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MECANISMO DA NITRETAÇÃO À GÁS
2NH3 2N + 3H2
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.
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B- NITRETAÇÃO LÍQUIDA O MEIO NITRETANTE É UMA MISTURA
DE SAIS: NaCN, Na2CO3, 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
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B- NITRETAÇÃO LÍQUIDAExemplo de banhos:
Banho simples: NaCN, KCN.
A nitretação líquida é usada também em aços baixo Carbono (em peças de menor solicitação)
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B- NITRETAÇÃO LÍQUIDAExemplo 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.
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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.
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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 - LAMEF - UFRGS
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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
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2.3- CIANETAÇÃO O processo é executado em banho de
sal fundido (cianeto) Semelhante a cementação líquida
2NaCN + O2 2NaCNO
4NaCNO Na2CO3 + 2NaCN + CO +2N
2CO CO2 +C
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2.3- CIANETAÇÃO Vantagens em relação a cementação:
Maior rapidez Maior resistência ao desgaste e a corrosão Menor temperatura de processo
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2.4- CARBO-NITRETAÇÃOÉ 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
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2.4- CARBO-NITRETAÇÃO
Deve-se posteriormente temperar as peças em óleo e revenir
Tempo de 1 hora 0,1 mm de camada endurecida
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2.4- CARBO-NITRETAÇÃO Vantagem em relação à tempera: O material apresenta uma melhor temperabilidade
devido ao aumento do teor de Carbono Processo mais rápido Temperatura mais baixa Menor crescimento de grão Maior resist. ao desgaste Menor distorção
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2.5- BORETAÇÃO Consiste na introdução de Boro por difusão Ocorre em meio sólido Temperatura: 900°C
B4C + ATIVADOR
BORETO DE FERRO que é um composto duro
(DUREZA VICKERS: 1700-2000)
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2.5- BORETAÇÃOCONSIDERAÇÕES
Temperatura de boretação = 900 C
Para um aço 0,45 % de Carbono
um tempo de processo de 4 horas origina uma camada endurecida de 100 mícrons.
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DEVE SER SEGUIDA DE REVENIDO
TEMPERA COMUM
USADA EM GERAL PARA AÇOS BAIXO TEOR DE CARBONO,
LIGADOS OU NÃO
EM GERAL, PROMOVE DISTORÇÕES
73
Ele
ani M
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da
Cos
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DE
M/P
UC
RS
DEVE SER SEGUIDA DE REVENIDO
TEMPERA SUPERFICIAL
USADA EM GERAL PARA AÇOS BAIXO TEOR DE CARBONO,
LIGADOS OU NÃO
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