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TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS

 

 

Tratamentos termoquímicos são processos que visam a adição, por difusão, de carbono, nitrogênio ou boro na superfície do aço. Como a difusão desses elementos nos aços só é significativa em altas temperaturas (500 a 1000ºC), o tratamento é denominado termoquímico.

O objetivo principal é aumentar a dureza e a resistência ao desgaste da superfície, ao mesmo tempo em que o núcleo do material se mantém dútil.

Os processos utilizados são:

1. Cementação;
2. Nitretação;
3. Cianetação;
4. Carbonitretação;
5. Boretação.

Os fatores que influenciam no controle do processo são:

a. Potencial do meio (sólido, líquido ou gasoso), em que a peça está imersa, de fornecer o elemento químico (carbono, nitrogênio ou boro).
b. Capacidade da peça de absorver este elemento químico. Isto está relacionada com a solubilidade e difusão do elemento químico no aço.

Cementação:

Consiste na introdução de carbono na superfície do aço, de modo que este, depois de temperado, apresente uma superfície mais dura.
Para se produzir uma combinação de uma superfície dura com núcleo tenaz, deve-se partir de um aço com baixo carbono, (C < 0,30%), e aquece-lo, geralmente, entre 815 a 950ºC.

A cementação pode ser feita por via:

1. Sólida;
2. Gasosa;
3. Líquida.

Cementação sólida:

As peças de aço são acondicionadas em caixas metálicas, onde se adiciona carvão de madeira ou coque, ativador (carbonato de bário e/ou sódio) e um óleo ligante.

 

Profundidade da camada cementada:

Varia de 0,6 a 6 mm dependendo das condições de tempo e temperatura empregadas. Essa profundidade, na prática, é medida através da dureza. Considera-se “Camada Cementada Efetiva” a região com dureza maior que 50 Rc. (Existe ainda a “Camada Cementada Total”), que é definida como a região onde houve aumento do teor de carbono. Pode ser determinada por análise química ou outra propriedade física, como, por exemplo, a dureza.

Cementação gasosa:

Consiste em se colocar a peça a ser cementada em um forno com atmosfera de potencial de carbono controlado.

Profundidade da camada cementada:

Varia de 0,5 a 2,0 mm, usualmente, e depende, além do tempo e da temperatura, do potencial de carbono do forno (figura 2 e 3).

Cementação líquida:

Consiste em se manter o aço em um banho de sal fundido numa temperatura acima de A¹. a profundidade da camada cementada depende da composição do banho e principalmente da temperatura utilizada. Banhos para baixas temperaturas permitem obter camadas de 0,08 a 0,8mm. Nos banhos para altas temperaturas obtém-se camadas de 0,5 até 3,0 mm. A formação da camada cementada é bastante rápida. Os aços empregados são os aços carbono (1010 a 1020) e os de baixa liga (1113, 1117, 1118, 8620, 9620). Os tempos de cementação líquida variam de 0,5 a 10 horas.

 

 

Vantagens:

– Obtenção de apreciáveis profundidades de penetração em tempo relativamente curto, pois a peça entra em contato direto com a massa líquida;
– Proteção efetiva contra descarbonetação;
– Possibilidade de operação contínua, pela colocação ou retirada das peças, enquanto outras ainda estão em tratamento.

Desvantagens:

– Alta toxidez dos cianetos;
– Necessidade de limpeza posterior em alguns casos, como a têmpera em óleo.

Nitretação:

Nitretação é o processo de introdução superficial de nitrogênio no aço, pelo aquecimento do mesmo entre 500 e 570ºC, para formar uma camada dura de nitretos.

Por utilizar temperaturas menores que as da cementação, a nitretação produz menor distorção e tem menor tendência a causar trincas no material. Após a nitretação não é necessário têmpera para produzir o endurecimento na camada nitretada.

As principais razões para se utilizar a nitretação são:
1. Obter altíssima dureza superficial (em torno de 70Rc) e alta resistência ao desgaste;
2. Melhorar a resistência à fadiga e à corrosão (exceto para aços inoxidáveis);
3. Obter superfície resistente ao amolecimento por aquecimento até temperaturas próximas à de nitretação.
A nitretação pode ser feita a gás, ou em banho líquido.

Nitretação a gás:

Consiste em submeter a peça a uma atmosfera de amônia, entre 500 e 550ºC.

Aços empregados:

Basicamente são empregados aços que contém elementos formadores de nitretos estáveis a temperatura de nitretação como o alumínio, cromo e vanádio, classificados em:

1. Aços de baixa liga, contendo alumínio;
2. Aços médio carbono, ao cromo, das séries 41xx, 43xx, 51xx, 61xx, 86xx, 93xx e 98xx (41xx e 43xx são os mais utilizados);
3. Aços e ferramentas com 5% de cromo, do tipo H11, H12 e H13;
4. Aços inoxidáveis ferríticos e martensíticos (série 400);
5. Aços inoxidáveis austeníticos da série 300.

Aços carbono em geral não podem ser utilizados na nitretação a gás, pois formam uma camada nitretada extremamente quebradiça.
Na figura 5 observa-se que a profundidade da camada nitretada é relativamente pequena se comparada às cementadas (máximas de 0,7 e 6mm, respectivamente).

 

Nitretação líquida:

O aquecimento é feito na mesma faixa de temperatura da nitretação a gás (500 a 570ºC), utilizando um banho à base de cianeto. Em vista disso adiciona também um pouco de carbono à peça.

Os aços empregados são: carbono, baixa, liga, ferramenta, inoxidável e resistente ao calor (tabela 6). A grande vantagem sobre a nitretação a gás é que, além de utilizar aço carbono, os tempos são bem menores. A desvantagem é que a camada nitretada também é menor (máxima de 0,015mm contra 0,7mm de nitretação a gás).

As aplicações são as mesmas recomendadas para a nitretação a gás (aumento da resistência ao desgaste, à fadiga com menor distorção na cementação). Os equipamentos utilizados são os mesmos descritos para cementação líquida.


 

Cianetação:

Consiste em aquecer o aço em temperaturas acima de A1, em um banho de sal fundido, de modo que a superfície do aço absorva carbono e nitrogênio. Após a têmpera em óleo ou água o aço desenvolve uma camada dura, resistente ao desgaste.

Os banhos de sal contém cianeto de sódio (30 a 97%), carbonato de sódio (2 a 40%) e cloreto de sódio (0 a 30%). Estes dois últimos são mais inertes, adicionados para controlar o ponto de fusão da mistura e sua fluidez.

As temperaturas utilizadas variam entre 760 a 870ºC e os equipamentos são os mesmos empregados na cementação líquida. O processo é aplicado usualmente aos aços carbono e baixa liga.
Uma vantagem da cianetação é a menor distorção nas peças produzidas.

Com relação à cementação líquida, a cianetação introduz menos carbono e mais nitrogênio que esta.

 

Profundidade da camada cianetada:

A profundidade de penetração do carbono e do nitrogênio e, por conseqüência, a dureza variam com a temperatura e com o tempo.

 

Carbonitretação:

Também conhecido como cianetação seca, cianetação a gás ou nitrocarbonetação, é um processo de introduzir carbono e nitrogênio no aço a partir de uma mistura gasosa apropriada. O carbono provém de um gás rico em carbono e o nitrogênio a partir da amônia. É um processo misto de cementação a gás e a nitretação a gás, sendo realizado em temperaturas intermediárias entre estes dois processos (700 a 900ºC).

O objetivo da carbonitretação é formar no aço uma camada resistente ao desgaste de 0,07 a 0,70 mm. Por empregar temperaturas menores que a cementação gasosa, produz uma menor distorção que este processo.
Os aços utilizados são os das series: 10xx, 41xx, 51xx e, 86xx com teores de carbono na faixa de 0,25%, embora em alguns casos aços com até 0,50% C sejam utilizados.

Por conter nitrogênio, a resistência ao amolecimento pela temperatura é maior em peças carbonitretadas que nas cementadas a gás. Também a resistência à fadiga e ao impacto são maiores em peças carbonitretadas do que nas cementadas a gás. Em contrapartida a profundidade da camada endurecida é menor que na cementação.
A vantagem da carbonitretação em relação à cianetação a gás é que esta é mais limpa. Assim, em peças com formas intrincadas ou com pequenos furos a operação de retirada do sal da cianetação é difícil, e aí a carbonitretação é mais indicada.

Os equipamentos utilizados são praticamente os mesmos da cementação a gás, com pequenas modificações.
Os tempos de carbonitretação para os aços carbono e baixa liga variam de 30 minutos até um máximo de 6 horas.

 

Boretação:

Consiste no enriquecimento superficial em boro no aço pela difusão química, com formação de boretos de ferro (Fe2B e Fé B).
A boretação pode ser gasosa, líquida ou sólida.

A boretação gasosa, além de utilizar equipamentos de alto custo, emprega um gás 100 vezes mais venenoso que o cianogênio.

A boretação gasosa, além de utilizar equipamentos de alto custo, emprega um gás 100 vezes mais venenoso que o cianogênio.

A boretação líquida utiliza banhos de seis, não tóxicos, mas apresenta dificuldades de introdução do boro no aço por formar camadas bifásicas contendo Fe2, B e Fe B, que dificultam a penetração do boro.

Em vista disso, a boretação sólida tem sido a mais empregada. Os meios de boretação sólida podem contar como fontes de boro as seguintes substâncias: boro puro, ferroboro, e carboneto de boro. Como o boro puro é caro (~500 dólares/kg) e o ferroboro apresenta dificuldades técnicas em se manter a qualidade em grandes produções, utiliza-se o carboneto de boro (~80 dólares/kg).

A espessura da camada boretada varia de 10 a 300 mícrons, embora processos especiais permitam obter camadas de até 1 milímetro de profundidade. O ideal é a formação das camadas monofásicas de Fe2B, pois camadas de FeB são mais susceptíveis à formação de trincas.
A temperatura de boretação varia de 800 a 1050ºC e os tempos, em geral, variam de 1 a 8 horas.

Peças com camadas boretadas de até 150 mícrons podem ser temperadas em óleo ou ar, sem apresentar trincas superficiais. O revenimento deve ser feito em um meio inerte, preferencialmente sob gás protetor ou banho de sal neutro.

A microdureza das camadas boretadas é extremamente alta.
A camada boretada também apresenta uma grande resistência à corrosão por ácidos inorgânicos, como o clorídrico, o sulfúrico e o fosfórico.

Os aços empregados na boretação são: carbono, baixa liga, ferramenta e inoxidável. Os aços ligados com alumínio e os com mais de 1% de silício não são indicados para este processo.

Observa-se que entre os processos de introdução de carbono (cementaçao sólida e gasosa) e de introdução de nitrogênio (nitretação a gás), existem processos intermediários que introduzem carbono e nitrogênio (cementação líquida, carbonitretação, cianetação e nitretação líquida). Nestes processos intermediários observa-se que ao se reduzir a temperatura, a introdução do nitrogênio é favorecida em relação à do carbono, porém a camada endurecida é reduzida, pois a região de difusão é menor.

Observa-se também que as temperaturas para a introdução do carbono são bem maiores que aquelas para introdução do nitrogênio (máximo de 950 e 570ºC, respectivamente), em função da solubilidade destes elementos de ferro. A maior temperatura na cementação favorece a difusão do carbono, e as camadas endurecidas são, portanto, maiores que na nitretação (máximo de 6 e 0,7mm, respectivamente).

Hamilton Nunes da Costa
Fonte : Wikipédia/ Manual Tratamento Térmico Senai

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