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TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS - Nitretação; - Carbonitretação; - Cementação. Prof. M.Sc. Antonio Fernando de Carvalho Mota.

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1 TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS - Nitretação; - Carbonitretação; - Cementação. Prof. M.Sc. Antonio Fernando de Carvalho Mota

2 REVISAR É APRENDER NOVAMENTE

3 Propriedades Tribológicas resistência aos diversos tipos de desgaste (desgaste abrasivo, desgaste adesivo, desgaste erosivo, etc.); coeficiente de atrito do material.

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7 TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS  Definição  São tratamentos que visam o endurecimento superficial do aço através da difusão de elementos como:  C (carbono), N (nitrogênio) ou B (boro), formando carbonetos, nitretos ou boretos, respectivamente.

8 Cementação  Endurecimento superficial de engrenagens

9 Cementação  A cementação é um tratamento que consiste em aumentar a porcentagem de carbono numa fina camada externa da peça.  A cementação é feita aquecendo-se a peça de aço de baixo teor de carbono, junto com um material rico em carbono (carburante).  Quando a peça atinge alta temperatura (750ºC a 1.000ºC) passa a absorver parte do carbono do carburante.  Quanto mais tempo a peça permanecer aquecida com o carburante, mais espessa se tornará a camada.

10 Cementação  Os carburantes podem ser sólidos, (grãos ou pós), líquidos ou gasosos. A qualidade dos carburantes influi na rapidez com que se forma a camada.  Após a cementação tempera-se a peça; as partes externas adquirem elevada dureza enquanto as partes internas permanecem sem alterações.

11 Cementação  Fases da cementação  1ª Fase:  Aquecimento  - Cementação em caixa:  As peças são colocadas em caixas juntamente com o carburante, fechadas hermeticamente e aquecidas até a temperatura recomendada.

12 Cementação  - Cementação em banho:  As peças são mergulhadas no carburante líquido aquecido, através de cestas ou ganchos.

13 Cementação  2ª Fase:  Manutenção da temperatura – O tempo de duração desta fase varia de acordo com a espessura da camada que se deseja e da qualidade do carburante utilizado. (0,1mm a 0,2mm por hora).   3ª Fase:  Resfriamento – A peça é esfriada lentamente dentro da própria caixa.  Após a cementação as peças são temperadas.

14 Cementação  Basicamente, o processo consiste em aumentar o teor de carbono de uma fina camada na superfície da peça e posterior tratamento de têmpera e revenido.  Assim, se o aço é de baixo carbono, apenas a camada superficial é endurecida e o interior mantém as características de ductilidade e tenacidade.  Isso proporciona uma combinação das propriedades desejáveis de resistência ao desgaste e estabilidade estrutural.

15 História  Há cerca de 100 anos, o tratamento térmico dos aços era certamente uma arte já que a ciência por trás dele estava somente começando a ser entendida.  O controle do tamanho de grão na cementação estava tornando-se possível com os trabalhos de McQuaid e Ehn.  Eles descobriram que pequenas adições de alumínio manteriam o pequeno tamanho de grão após longas exposições, geralmente de 8 a 10 horas na temperatura de cementação.  Antes disso, estruturas de grãos grosseiros podiam ser observadas nas camadas cementadas o que iniciaria uma fratura frágil intergranular sob cargas mínimas.

16 Cementação  A difusão é proporcionada pelo carbono fornecido por algum meio, em temperaturas nas quais ela possa ocorrer.  Normalmente na faixa da austenita, de 840 a 1000ºC.

17 CEMENTAÇÃO  Cementação  Processo de transformação superficial que se dá através da concessão de carbono do meio carburizante para a superfície da peça formando Fe 3 C (cementita), a uma temperatura de 900 a 950 ºC.  Deixa, desse modo, o aço dúctil e tenaz.  Exemplos de reação:  2C + O 2 2CO  2CO + 3Fe Fe 3 C + CO 2

18 Cementação  Cementação Líquida  Neste processo, as peças são mantidas submersas em um banho de sal fundido a base de cianeto e cloreto de Na, Ba e K.  Cementação Gasosa  Neste processo, o responsável pela oferta de carbono é um gás. Normalmente, um gás endotérmico enriquecido com propano.  Cementação Sólida  Neste processo, as peças são colocadas em caixas de aço contendo carvão. Forno Câmara

19 Cementação  Aquecimento em conjunto com uma substância em carbono permitindo a difusão do © para o aço.  Aumentar a dureza e resistência ao desgaste superficial (por fricção ou atrito), enquanto mantém o núcleo (miolo) do material ainda dúctil.

20 Cementação  Tratamento térmico da Cementação:  Todos os aços cementados devem ser temperados.  Pode-se temperar de três maneiras:  Têmpera simples  Consiste em temperar o material normalmente após tê-lo cementado e resfriado ao ar.  Têmpera direta  Consiste em resfriar rápido, diretamente da temperatura de cementação.  Têmpera dupla  A partir da temperatura de austenitização do núcleo, para refiná-lo, em seguida na temperatura de austenitização da camada cementada.

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25 TratamentosGranulação inicial do aço Camada cementadaNúcleo A Têmpera simples FinaEstrutura finaEstrutura grosseira B Têmpera simples FinaEstrutura ligeiramente grosseira Estrutura parcialmente refinada C Têmpera simples FinaEstrutura ligeiramente groseira Estrutura refinada Tempo Representação de vários tratamentos possíveis de têmpera após a cementação

26 TratamentosGranulação inicial do aço Camada cementadaNúcleo D Têmpera dupla GrosseiraEstrutura refinada E Têmpera dupla FinaEstrutura não refinada F Têmpera simples FinaEstrutura refinadaEstrutura grosseira mole,tenaz e usinável Representação de vários tratamentos possíveis de têmpera após a cementação Tempo D

27  Tratamento termoquímico de endurecimento superficial, baseado na introdução de nitrogênio em sua superfície.  O processo se realiza, expondo a peça em uma atmosfera do forno rica em nitrogênio. Nitretação Nitretação Peça nitretada

28 Nitretação  Nitretação  Tratamento de endurecimento superficial em que se introduz o nitrogênio na superfície do aço. Aumenta a resistência ao desgaste, resistência à fadiga, resistência à corrosão e a dureza superficial.  A temperatura onde se dá o processo de nitretação é sub-austenítica (500 a 600 ºC), portanto, sem os problemas de tensões, distorções, e sem necessidade de tratamento posterior.

29 Vantagens e desvantagens da nitretação Vantagens: - A temperatura de tratamento é inferior à da cementação; - As peças apresentam-se nas dimensões e acabamento finais. Desvantagens: - O tempo de permanência é grande; - A espessura da camada nitretada é muito pequena.

30 Nitretação  São cinco os tipos mais comuns de nitretação:  Nitretação a Gás  Consiste em submeter as peças a ação de um meio gasoso rico em nitrogênio, geralmente amônia.  Nitretação em banho de sal (tenifer)  Consiste em submeter as peças num banho de sal fundido à base de cianeto de sódio e potássio. O resfriamento se faz em água até a temperatura ambiente.  Carbonitretação  É um tratamento que pode ser entendido como a união de cementação e nitretação. A temperatura é intermediária, cerca de 850 ºC.  Carbonitretação Gasosa  Atmosfera gasosa composta de gás endotérmico e amônia. A espessura da camada varia de 0,1 a 0,7 mm.  Carbonitretação Líquida (Cianetação)  Tratamento em um forno contendo sal fundido, a base de cianeto, a uma temperatura entre 760 a 870 ºC. A camada varia de 0,1 a 0,3 mm.

31 Nitretação  Aços para nitretação:  Nitralloy Steels Cr, Mo, Al e Ni  Também são utilizados aços com teores de carbono entre 0,13 e 0,40%, podendo ter adições de alumínio (essencial), cromo, silício, tungstênio e vanádio.  Tratamentos térmicos anteriores:  Têmpera e revenido

32 Carbonitretação  Tratamento termoquímico, em que se promove o enriquecimento superficial simultâneo com carbono e nitrogênio.

33 Carbonitretação  carbonitretação é uma forma modificada de cementação e nitretação que consiste na introdução de amônia na atmosfera gasosa.  O nitrogênio contido na amônia difunde na superfície da peça, simultaneamente, com o carbono, e abaixa a velocidade critica do resfriamento.  A carbonitretação é feita com temperatura mais baixa (pelo menos 55 o C ou 100 o F) e tempo mais curto (meia hora ou mais) do que a cementação.

34 carbonitretação  forno usado para carbonitretação de autopeças.

35 Boretação  Boretação  O boro se difunde na superfície do material tratado, formando boreto de ferro.  Pode-se tratar qualquer tipo de aço.  A peças são colocadas em uma caixa de aço contendo granulado de boro.  A temperatura varia de 800 a 1050 ºC.  O objetivo da boretação é aumentar a dureza superficial em torno de 1800 a 2000 HV, melhorar a resistência ao desgaste e corrosão de ácidos.

36 PRÁTICA DE TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS

37 Nitretação líquida - Tenifer  Instalações para nitretação em banho de sal tipo “tenifer” (tufftride)  Conjunto formado por um forno destinado ao pré-aquecimento, um forno para nitretação a 570 ºC em cadinho de titânio, tanques de água para resfriamento e lavagem e uma cabine fechada com sistema de exaustão e purificação do ar.

38 Fornos para tratamentos térmicos  Fornos de câmara para múltiplas aplicações, tipo “Gruq” ou “Kos”.  Instalações totalmente automáticas, permitindo efetuar operações de têmpera, cementação e carbonitretação sob atmosfera controlada. Aquecimento elétrico ou a gás, temperaturas até 950 ºC.  Umas ou duas câmaras de aquecimento. Forno conjugado com máquina de lavar, forno de revenimento e gerador de gás endotérmico.

39 Fornos para tratamentos térmicos  Fornos com Atmosfera Controlada  Geradores de Gás  Instalação destinada à obtenção de gás endotérmico, exotérmico, hidrogênio ou amônia dissociada a partir de álcool, hidrocarbonetos ou gás amoníaco.  Aplicações em tratamentos térmicos na formação de atmosfera protetora ou controlada, sintetização, indústrias químicas, petroquímicas, farmacêuticas, alimentícias, etc.

40 TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS COMPLEMENTAÇÃO  O potencial de carbono de uma atmosfera carbonetante pode ser diminuído, se desejado, no interior da câmara de cementação introduzindo-se pequenas quantidades de ar de modo a aumenta o ponto de orvalho (percentagem de água) e o teor de CO 2, de acordo com as seguintes reações: H 2 + ½ O 2 H 2 O CO + ½ O 2 CO 2 40 descarbonetantecarbonetante

41 TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS COMPLEMENTAÇÃO 41

42 TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS COMPLEMENTAÇÃO 42

43 Forno com atmosfera controlada

44 Aços para cementação e nitretação  Os aços carbono depois de cementados, temperados e revenidos adquirem núcleo com boa resistência  Nos aços-liga a soma total de elementos raramente ultrapassa 2%.  Usados em caminhoes, tratores ônibus e indústria aeronáutica.  O processo clássico de nitretação a gás exige a presença do: alumínio, cromo e molibdênio e eventualmente níquel;  facilitam a difusão do nitrogênio;  produzem a camada superficial nitretada da espessura adequada;  Após a nitretação os aços são prontos para serem utilizados, ou seja, não há tratamento térmico posterior como ocorre com a cementação.

45 Classificação dos fornos industriais para tratamento térmico combustívelDetalhes do aquecimentoFormas construtivasprocessos Óleo ou gásPara tratamento térmico de aços em banhos de sais, ativados ou neutros, em cadinhos metálicos com aquecimento indireto – temperatura máxima de 950°C. Geralmente, possuem uma câmara de pré-aquecimento acoplado Geralmente cilíndrico tipo poço Aquecimento à temperatura de cementação, têmpera, beneficiamento, normalização, etc.

46 Para quebrar a ansiedade da Dama

47 Tratamentos especiais

48 Têmpera por laser 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.

49 NITRETAÇÃO A PLASMA Tendência  Aplicações:  Moldes para estampagem de roda, peças internas das bombas de óleo, moldes para peças de alumínio de motores, brinquedos, compressores e outros.

50 Faixa de temperatura De 380 a 570ºC.  Controle da composição e espessura Mistura N 2 + H 2 N 2 + CH 4 N 2 + H 2 + AR Nitretada Nitro-carbonetada Oxi-nitro-carbonetada

51 BRASIMET TRD  TRD ® Ferramenta com alto desgaste submetida ao processo BRASIMET TRD Brasimet Thermal Reactive Diffusion: tratamento destinado à formação de camada de Carbeto de Vanádio. Camada: espessura: 8 a 15 mm dureza: > 4000 HV Propriedades: alta resistência à abrasão, alta resistência ao desplacamento e alta resistência à corrosão  Aplicações: ferramentas de conformação a frio e a quente, submetidas a elevado desgaste abrasivo e elementos de máquina, submetidos à abrasão. Fonte:

52 TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS (REVISÃO)

53 Tratamentos Termoquímicos-  Objetivo: Endurecimento superficial dos aços, pela modificação parcial de sua composição química e aplicação simultânea de um tratamento térmico.

54 Tratamentos Termoquímicos  Tipos: - Cementação; - Nitretação; - Carbonitretação; - Cianetação; - Boretação.

55 Cementação  Tratamento termo-químico que consiste em aumentar- se o teor de carbono na superfície do material, mantendo-se um núcleo dúctil, através da difusão do carbono. Normalmente é seguido de têmpera.  Há líquida tipos principais de cementação: - Sólida (em caixa); - Gasosa; - Líquida;

56 Cementação Sólida  A substância fornecedora de carbono é sólida (misturas carborizantes).  As peças são colocadas em caixas metálicas envoltas pela mistura carborizante. As caixas são colocadas no forno.

57 Cementação Gasosa  A substância carbonácea é uma atmosfera gasosa como o CO ou gases derivados de hidrocarbonetos.

58 Cementação Líquida  O meio carborizante é um sal fundido com composição química variável.

59 Nitretação  Objetiva o endurecimento superficial de aços por absorção de nitrogênio.  Propicia elevada além de alta dureza superficial, resistência ao desgaste, à fadiga, à corrosão e ao calor.  É normalmente realizada em fornos com atmosfera controlada, rica em Nitrogênio (em geral NH3)  Pode ser à gás ou líquida (banho de sal).

60 Cianetação  Aquecimento do aço à temperatura acima da crítica em um banho de sal de cianeto fundido. Absorvendo assim, carbono e nitrogênio simultaneamente.  Obtém-se superfície dura e resistência ao desgaste.

61 Carbonitretação  O meio carbonitretante é uma atmosfera gasosa de carbono e nitrogênio.

62 Boretação  Introdução de Boro por difusão, obtendo- se boreto de ferro, de dureza muito elevada.

63  1º Exercício de Materiais de Construção Mecânica – Turma : M3  1º)[2,0] a- O que é carbono equivalente dos aços? Como é calculado? Qual a sua importância nos tratamentos térmicos e na soldagem?  b- O que é Austenita Retida? Como surge? Que problemas pode causar? Como pode ser eliminada?   2º)[2,0] Selecione o material a ser utilizado na fabricação de uma engrenagem para caixa de marcha, indicando: A classificação do material; O processo de fabricação;  O controle de qualidade.   3º)[1,0] a-Quais os produtos fora do Equilíbrio nos Aços Carbono?  b- O que é Dupla-Têmpera? Quando se aplica?   4º) [4,0] Compare os tratamentos térmicos (aplicações, microestruturas e outros) da Martêmpera com a Austêmpera? Faça seus diagramas TTT correspondentes com informações para execução.   5º)[1,0] Dada a seguinte série de curvas de percentagem de transformação, construa um gráfico TTT para um metal hipotético.

64 Quando trocar o óleo?

65 ANEXO TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS

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92 CEMENTAÇÃO  CEMENTAÇÃO Forno para cementação sob atmosfera controlada Tratamento termoquímico em que se promove enriquecimento superficial com carbono.  É utilizada para peças que necessitam de alta dureza superficial, alta resistência à fadiga de contato e submetidas a cargas superficiais elevadas. A cementação pode ser executada em fornos de banho de sais e em fornos com atmosfera controlada. Forno para cementação sob atmosfera controlada

93 CARBONITRETAÇÃO  CARBONITRETAÇÃO Forno usado para carbonitretação de autopeças Tratamento termoquímico em que se promove o enriquecimento superficial simultâneo com carbono e nitrogênio.  Utiliza-se para peças que necessitam de alta dureza superficial, alta resistência à fadiga de contato e submetidas a cargas superficiais moderadas Forno usado para carbonitretação de autopeças

94 Tratamentos termoquímicos  Os tratamentos termoquímicos são os tratamentos térmicos baseados em processos que, além de envolver calor, existe a adição de elementos químicos na superfície do aço.  São esses: - Nitretação; - Carbonitretação; - Cementação.

95 Nitretação  A nitretação consiste no enriquecimento superficial em nitrogênio de aços inoxidáveis convencionais por meio de tratamento termoquímico em temperaturas elevadas (geralmente entre 1000 e 1200ºC), sob atmosfera gasosa rica em N 2.  É possível obter peças com camadas de elevado teor de nitrogênio com aproximadamente 0,5 a 2 mm de espessura.  Normalmente é precedida de têmpera e revenimento.


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