CEMENTAÇÃO
Dos processos termoquímicos é o mais conhecido e consiste em um enriquecimento em carbono da superfície da peça. Os aços que se destinam a cementação possuem geralmente teores de C menores do que 0,25%.
Ao ser temperado após cementação, a camada enriquecida em carbono se endurece atingindo valores = 60 HRC enquanto o núcleo, de baixo carbono, permanece com uma dureza bem mais baixa, compatível com a composição química original do aço, resultando uma peça com elevada resistência ao desgaste e cujo núcleo possui uma boa tenacidade.
A temperatura é um dos fatores mais importantes, pois é diretamente proporcional a difusão e à velocidade de carbonetação. Normalmente é feita na faixa de 850 a 950ºC. Os processos de cementação são feitos em meios sólidos, líquidos e gasosos.
1. Cementação em Caixa
Usa-se para este tipo de cementação uma caixa metálica, resistente ao calor, no fundo da qual é colocada uma camada de aproximadamente 2 cm da chamada “mistura carburizante” sobre a qual são depositadas as peças distantes umas das outras aproximadamente 3 cm.
Em seguida completa-se a caixa com a mistura carburizante, tampa-se a caixa procurando-se evitar perda do gás a ser formado.
A mistura cementante varia bastante, podendo-se utilizar, por exemplo, uma mistura de carvão vegetal e carbonato de bário (15%), já existem no mercado os granulados para cementação que facilitam o processo.
O mecanismo de cementação em caixa é o seguinte:
Enquanto houver carbono suficiente o ciclo, repete-se.
Por esse motivo é que se adiciona o carboneto de bário para aumentar a velocidade de fornecimento de CO, quando ocorrem as seguintes reações.
BaCO3 → BaO +. CO2
CO2 + C → 2 CO
Terminado o tratamento as peças podem ser deixadas no forno para esfriar, porém existe o risco de uma descarbonetação na faixa de 808ºC a 650ºC qual há formação de CO2, cujo teor aumenta e provoca esse empobrecimento de carbono na superfície da peça.
Em razão disso deve-se deixar as peças esfriarem ao ar calmo evitando-se esse fenômeno e ao mesmo tempo refinando o grão que cresceu durante a cementação a 930ºC. Inicialmente a profundidade da camada, cementada deve ser controlada por meio de corpos de prova retirados, se possível, de tempos em tempos observando-se a espessura da camada.
Em média para uma camada de 1 mm de profundidade leva-se aproximadamente 2h em temperatura (930ºC) e para 2 mm, em torno de 5h.
2. Cementação Gasosa
O custo da cementação gasosa é bem mais elevado pois exige aparelhagem de controle e segurança e, consequentemente, pessoal mais especializado.
As reações de carbonetação são mais complexas necessitando um controle não só da temperatura como também da mistura carburizante gasosa.
As vantagens deste processo são as seguintes:
Melhor controle do teor de carbono e da profundidade de cementação, além de ser um processo mais limpo.
As reações que ocorrem durante a cementação gasosa são as seguintes:
2CO + 3 Fe → Fe3C + CO2
CH4 + 3 Fe → Fe3C + 2H2
CO + H2 + 3Fe → Fe3C + H2O
Como pode-se observar a atmosfera gasosa carburizante é formada por hidrocarbonetos, minóxido de carbono e hidrogênio. Dos hidrocarbonetos, o mais empregado é o propano. Uma das grandes vantagens da cementação gasosa é a possibilidade da têmpera direta após cementação, com o aproveitamento do calor da peça.
3. Cementação Líquida
Neste processo as peças são submetidas a um banho de sal fundido, o qual proporciona o enriquecimento de carbono à superfície do aço. Estes sais em geral são mistura de cloreto de bário, cloreto de potássio e cloreto de sódio aos quais adiciona-se cianeto de sódio.
A cementação em banho é muito mais rápida do que em caixa, pois as reações se processam com maior velocidade, principalmente quando se adicionam ativadores.
Outra vantagem deste processo á uniformidade do tratamento em todos os pontos das peças, não existindo regiões de maior concentração de carbono como pode ocorrer na cementação sólida.
O carregamento das peças também é facilitado pois as mesmas são amarradas com arames, auxiliando a colocação e retirada dos banhos e em contato com todo o meio líquido.
Como em todos os processos de banho de sal existe a formação de uma camada ou película de sal aderente à peça e protegendo contra a oxidação quando a movimentação da mesma de dentro do banho até o esfriamento ao ar ou em outro meio.
Quando as peças estão dentro do banho essa proteção contra oxidação é total.
As reações que ocorrem são:
2 NaCN + BaCI2 → BA(CN)2 + 2NaCI
Ba (CN)2 + 3 Fe → Fe3C + BaCN2
Os cuidados para se tratar peças em banhos de sal são maiores que em outros meios.
A sequência usual para se evitar problemas de empanamento por choque térmico, queimaduras por respingos de sal, etc. é a seguinte:
a) Aquecer as peças lentamente em forno mufla até 400/450ºC, eliminando-se assim a umidade existente bem como aliviando as tensões provenientes da usinagem diminuindo a queda de temperatura do banho de cementação quando para ele forem transferidas.
b) Depois de aproximadamente 1 hora as peças devem ser transferidas para o banho de cementação a 930ºC cuja concentração já deve estar controlada.
Neste processo existe a necessidade de uma boa exaustão pois os cianetos são venenosos. O controle de temperatura também é um fator importante pois deve-se manter uma temperatura rigidamente constante durante todo o processo. Outro controle fundamental é o teor de cianeto que deve ser feito diariamente para a verificação da concentração do banho.
A profundidade da camada cementada depende tanto do tempo de permanência no banho como da temperatura utilizada sendo que a velocidade de penetração aumenta na razão direta da temperatura, até uma máxima de 950ºC. Na prática já foi verificado que o tempo de cementação é 4 vezes maior a 850ºC, do que 930ºC.
A profundidade da camada cementada é de cerca de:
0,8 a 1,0 mm em 2h
1,0 a 1,4 mm em 4h
1,4 a 1,8 mm em 6h
Após o tratamento de cementação, as peças devem ser temperadas e revenidas.
Os principais métodos são:
1. Têmpera Direta
Isto é, temperar diretamente da temperatura de cementação. É recomendado para aços de granulação fina que ficaram pouco tempo na temperatura de cementação.
2. Têmpera Simples
Após o esfriamento da peça ao ar, refinando o grão, ela é novamente aquecida (=820ºC) e esfriada em água, ou salmoura, ou óleo mineral ou mesmo em banho de sal a 180º (martêmpera).
3. Têmpera Dupla
Faz-se uma primeira têmpera para refinar o grão (=820ºC).
Reaquece-se novamente uma temperada acima da crítica (=780ºC) fazendo-se nova têmpera obtendo-se uma dureza alta na superfície com um núcleo muito tenaz.
Ao ser temperado após cementação, a camada enriquecida em carbono se endurece atingindo valores = 60 HRC enquanto o núcleo, de baixo carbono, permanece com uma dureza bem mais baixa, compatível com a composição química original do aço, resultando uma peça com elevada resistência ao desgaste e cujo núcleo possui uma boa tenacidade.
A temperatura é um dos fatores mais importantes, pois é diretamente proporcional a difusão e à velocidade de carbonetação. Normalmente é feita na faixa de 850 a 950ºC. Os processos de cementação são feitos em meios sólidos, líquidos e gasosos.
1. Cementação em Caixa
Usa-se para este tipo de cementação uma caixa metálica, resistente ao calor, no fundo da qual é colocada uma camada de aproximadamente 2 cm da chamada “mistura carburizante” sobre a qual são depositadas as peças distantes umas das outras aproximadamente 3 cm.
Em seguida completa-se a caixa com a mistura carburizante, tampa-se a caixa procurando-se evitar perda do gás a ser formado.
A mistura cementante varia bastante, podendo-se utilizar, por exemplo, uma mistura de carvão vegetal e carbonato de bário (15%), já existem no mercado os granulados para cementação que facilitam o processo.
O mecanismo de cementação em caixa é o seguinte:
- O carbono combina-se com oxigênio de carvão de madeira a 930ºC.
C + 02 → CO2 - O carvão incandescente libera carbono que reage com dióxido de carbono formado.
CO2 + C → 2CO - O monóxido de carbono reage com o ferro do aço gerando dióxido de carbono e introduzindo carbono no ferro.
3Fe + 2 CO → Fe3C + CO2 - O ciclo volta a seu início pois este dióxido de carbono volta a reagir com o carbono do carvão incandescente produzindo novo CO.
Enquanto houver carbono suficiente o ciclo, repete-se.
Por esse motivo é que se adiciona o carboneto de bário para aumentar a velocidade de fornecimento de CO, quando ocorrem as seguintes reações.
BaCO3 → BaO +. CO2
CO2 + C → 2 CO
Terminado o tratamento as peças podem ser deixadas no forno para esfriar, porém existe o risco de uma descarbonetação na faixa de 808ºC a 650ºC qual há formação de CO2, cujo teor aumenta e provoca esse empobrecimento de carbono na superfície da peça.
Em razão disso deve-se deixar as peças esfriarem ao ar calmo evitando-se esse fenômeno e ao mesmo tempo refinando o grão que cresceu durante a cementação a 930ºC. Inicialmente a profundidade da camada, cementada deve ser controlada por meio de corpos de prova retirados, se possível, de tempos em tempos observando-se a espessura da camada.
Em média para uma camada de 1 mm de profundidade leva-se aproximadamente 2h em temperatura (930ºC) e para 2 mm, em torno de 5h.
2. Cementação Gasosa
O custo da cementação gasosa é bem mais elevado pois exige aparelhagem de controle e segurança e, consequentemente, pessoal mais especializado.
As reações de carbonetação são mais complexas necessitando um controle não só da temperatura como também da mistura carburizante gasosa.
As vantagens deste processo são as seguintes:
Melhor controle do teor de carbono e da profundidade de cementação, além de ser um processo mais limpo.
As reações que ocorrem durante a cementação gasosa são as seguintes:
2CO + 3 Fe → Fe3C + CO2
CH4 + 3 Fe → Fe3C + 2H2
CO + H2 + 3Fe → Fe3C + H2O
Como pode-se observar a atmosfera gasosa carburizante é formada por hidrocarbonetos, minóxido de carbono e hidrogênio. Dos hidrocarbonetos, o mais empregado é o propano. Uma das grandes vantagens da cementação gasosa é a possibilidade da têmpera direta após cementação, com o aproveitamento do calor da peça.
3. Cementação Líquida
Neste processo as peças são submetidas a um banho de sal fundido, o qual proporciona o enriquecimento de carbono à superfície do aço. Estes sais em geral são mistura de cloreto de bário, cloreto de potássio e cloreto de sódio aos quais adiciona-se cianeto de sódio.
A cementação em banho é muito mais rápida do que em caixa, pois as reações se processam com maior velocidade, principalmente quando se adicionam ativadores.
Outra vantagem deste processo á uniformidade do tratamento em todos os pontos das peças, não existindo regiões de maior concentração de carbono como pode ocorrer na cementação sólida.
O carregamento das peças também é facilitado pois as mesmas são amarradas com arames, auxiliando a colocação e retirada dos banhos e em contato com todo o meio líquido.
Como em todos os processos de banho de sal existe a formação de uma camada ou película de sal aderente à peça e protegendo contra a oxidação quando a movimentação da mesma de dentro do banho até o esfriamento ao ar ou em outro meio.
Quando as peças estão dentro do banho essa proteção contra oxidação é total.
As reações que ocorrem são:
2 NaCN + BaCI2 → BA(CN)2 + 2NaCI
Ba (CN)2 + 3 Fe → Fe3C + BaCN2
Os cuidados para se tratar peças em banhos de sal são maiores que em outros meios.
A sequência usual para se evitar problemas de empanamento por choque térmico, queimaduras por respingos de sal, etc. é a seguinte:
a) Aquecer as peças lentamente em forno mufla até 400/450ºC, eliminando-se assim a umidade existente bem como aliviando as tensões provenientes da usinagem diminuindo a queda de temperatura do banho de cementação quando para ele forem transferidas.
b) Depois de aproximadamente 1 hora as peças devem ser transferidas para o banho de cementação a 930ºC cuja concentração já deve estar controlada.
Neste processo existe a necessidade de uma boa exaustão pois os cianetos são venenosos. O controle de temperatura também é um fator importante pois deve-se manter uma temperatura rigidamente constante durante todo o processo. Outro controle fundamental é o teor de cianeto que deve ser feito diariamente para a verificação da concentração do banho.
A profundidade da camada cementada depende tanto do tempo de permanência no banho como da temperatura utilizada sendo que a velocidade de penetração aumenta na razão direta da temperatura, até uma máxima de 950ºC. Na prática já foi verificado que o tempo de cementação é 4 vezes maior a 850ºC, do que 930ºC.
A profundidade da camada cementada é de cerca de:
0,8 a 1,0 mm em 2h
1,0 a 1,4 mm em 4h
1,4 a 1,8 mm em 6h
Após o tratamento de cementação, as peças devem ser temperadas e revenidas.
Os principais métodos são:
1. Têmpera Direta
Isto é, temperar diretamente da temperatura de cementação. É recomendado para aços de granulação fina que ficaram pouco tempo na temperatura de cementação.
2. Têmpera Simples
Após o esfriamento da peça ao ar, refinando o grão, ela é novamente aquecida (=820ºC) e esfriada em água, ou salmoura, ou óleo mineral ou mesmo em banho de sal a 180º (martêmpera).
3. Têmpera Dupla
Faz-se uma primeira têmpera para refinar o grão (=820ºC).
Reaquece-se novamente uma temperada acima da crítica (=780ºC) fazendo-se nova têmpera obtendo-se uma dureza alta na superfície com um núcleo muito tenaz.
CIANETAÇÃO
É um processo de transferência simultânea de carbono e nitrogênio, realizados em banhos de sal a uma temperatura de aproximadamente, 850ºC, cuja camada não ultrapassa 0,35mm.
As reações do processo são:
a) Cianeto de sódio se oxida passando a cianato de sódio.
2NaCN + 02 → 2Na CNO
b) O cianeto na presença do oxigênio e do ferro do aço libera CO2, forma carbonato de sódio e introduz o nitrogênio no ferro.
4 NaCNO + 3º + 15 Fe → ← 2 Na2CO3 + 2CO2 + 4Fe4N
O carbono também é absorvido pelo ferro, porém em menor quantidade que na cementação. Após a cianetação as peças devem ser temperadas para que se obtenha a dureza desejada. Como os aços cianetados são de baixa liga e baixo carbono, podem e devem ser temperados em água.
CARBONITRETAÇÃO
É também um processo de transferência de carbono e nitrogênio para a superfície da peça, porém por um processo gasoso onde se utiliza uma mistura de amônia com gás carburizante numa média de 25% e 75%m respectivamente, não podendo a amônia exceder 28% pois cria uma camada muito dura e frágil.
O teor de carbono é controlado como na cementação gasosa enquanto o de nitrogênio varia conforme a variação da porcentagem de amônia. Este tratamento é feito a 925ºC sendo necessário a têmpera posterior.
O teor de carbono é controlado como na cementação gasosa enquanto o de nitrogênio varia conforme a variação da porcentagem de amônia. Este tratamento é feito a 925ºC sendo necessário a têmpera posterior.
NITRETAÇÃO
A nitretação que produz uma superfície enriquecida de nitrogênio é feita em banhos de sais fundidos (nitretação líquida) ou em gás, geralmente aônia (nitretação gasosa).
Para os dois processos a temperatura de nitretação é da ordem de 510 a 570ºC sendo estes processos utilizados em peças já acabadas. A dureza nitretada atinge 68 a 70HRC. O fato mais importante da camada nitretada é que aumenta a resistência à fadiga, porque os nitretos formados não permitem a deformação dos cristais de ferro.
Elimina-se também o perigo de engripamento de superfícies metálicas, o que torna de grande emprego na indústria automobilística os aços nitretados na fabricação de anéis, pinhões, engrenagens, virabrequins, etc. Além disso também é melhorada a resistência à correção e ao desgaste. Após a nitretação não há necessidade de outro tratamento térmico.
A espessura da camada nitretada pode chegar a 0,8 mm. Em aços do tipo VL40 (SAE 4140) ou VM40 (SAE 4340) após 20h a 520ºC é de aproximadamente 0,4 mm. Nas mesmas condições de tempo e temperatura, a espessura alcançada num aço VPCW (AISI H12) é de aproximadamente 0,2 mm.
Para os dois processos a temperatura de nitretação é da ordem de 510 a 570ºC sendo estes processos utilizados em peças já acabadas. A dureza nitretada atinge 68 a 70HRC. O fato mais importante da camada nitretada é que aumenta a resistência à fadiga, porque os nitretos formados não permitem a deformação dos cristais de ferro.
Elimina-se também o perigo de engripamento de superfícies metálicas, o que torna de grande emprego na indústria automobilística os aços nitretados na fabricação de anéis, pinhões, engrenagens, virabrequins, etc. Além disso também é melhorada a resistência à correção e ao desgaste. Após a nitretação não há necessidade de outro tratamento térmico.
A espessura da camada nitretada pode chegar a 0,8 mm. Em aços do tipo VL40 (SAE 4140) ou VM40 (SAE 4340) após 20h a 520ºC é de aproximadamente 0,4 mm. Nas mesmas condições de tempo e temperatura, a espessura alcançada num aço VPCW (AISI H12) é de aproximadamente 0,2 mm.
MARTÊMPERA
Martêmpera, ou Têmpera Interrompida, é uma forma de tratamento térmico de têmpera indicada para aços de alta liga, obtendo-se ao final do processo aço em fase de martensita com uniformidade de grãos. O material é aquecido acima da zona crítica, assumindo a fase de austenita, e depois resfriado em duas etapas.
Pode ser realizado em peças constituídas de aços e ferros fundidos em geral, cuja utilização seja feita para peças que podem apresentar empenamentos e que precisem obter as mesmas propriedades por meio de um beneficiamento. Ao passar pelo tratamento de martêmpera, a resistência mecânica da peça aumentará consideravelmente, fazendo com que a chance da ocorrência de trincas ou deformações seja muito menor.
No segmento industrial, se faz necessário o uso de diversas peças, cada uma delas com determinada finalidade. Quanto maior for a qualidade dessas peças, melhor, pois a empresa poderá utilizá-las por mais tempo, evitando assim possíveis desperdícios com substituições desnecessárias. Por isso, investir no tratamento de martêmpera fará com que o cliente invista um valor justo, e obtenha em troca uma série de vantagens, pela alta qualidade da peça.
Pode ser realizado em peças constituídas de aços e ferros fundidos em geral, cuja utilização seja feita para peças que podem apresentar empenamentos e que precisem obter as mesmas propriedades por meio de um beneficiamento. Ao passar pelo tratamento de martêmpera, a resistência mecânica da peça aumentará consideravelmente, fazendo com que a chance da ocorrência de trincas ou deformações seja muito menor.
No segmento industrial, se faz necessário o uso de diversas peças, cada uma delas com determinada finalidade. Quanto maior for a qualidade dessas peças, melhor, pois a empresa poderá utilizá-las por mais tempo, evitando assim possíveis desperdícios com substituições desnecessárias. Por isso, investir no tratamento de martêmpera fará com que o cliente invista um valor justo, e obtenha em troca uma série de vantagens, pela alta qualidade da peça.
BORETAÇÃO
Dentre os processos termoquímicos de difusão para endurecimento superficial, a boretação é um dos mais recentes onde o boro difunde-se na superfície do aço formando boreto de ferro. A boretação pode ser feita em meios líquidos, sólidos e gasosos, porém a boretação sólida é a mais utilizada industrialmente.
De maneira semelhante à cementação, a boretação sólida consiste no acondicionamento das peças em caixas, onde é colocado o pó de boretação de uma maneira que no fundo da caixa fique uma altura de aproximadamente de 20 mm de pó, onde são depositadas as peças separadas umas das outras, completando-se os espaços vazios com o mesmo pó, tampando-se em seguida a caixa.
A camada boretada é função do tempo e temperatura sendo que as temperaturas variam de 800ºC a 1050ºC e os tempos de 15 minutos a 30 horas. Para uma temperatura de 900ºC e um tempo de 3h obtém-se uma camada boretada de 0,040 mm para um aço ferramenta tipo VC 130 da VILLARES (ASTM D3) 0,050mm para um aço para rolamento tipo VC52 (AISI 52100) e 0,10mm para um aço carbono tipo VT45 (AISI 1045).
A dureza da camada boretada atinge a faixa de 1700 a 2000 HV. Para este nível de dureza não há mais conversão para outras escalas; como comparação, 900 HV correspondem a aproximadamente 68 HRC. Devido a esta camada extremamente dura a boretação é aplicada em peças sujeitas a desgaste por abrasão.
De maneira semelhante à cementação, a boretação sólida consiste no acondicionamento das peças em caixas, onde é colocado o pó de boretação de uma maneira que no fundo da caixa fique uma altura de aproximadamente de 20 mm de pó, onde são depositadas as peças separadas umas das outras, completando-se os espaços vazios com o mesmo pó, tampando-se em seguida a caixa.
A camada boretada é função do tempo e temperatura sendo que as temperaturas variam de 800ºC a 1050ºC e os tempos de 15 minutos a 30 horas. Para uma temperatura de 900ºC e um tempo de 3h obtém-se uma camada boretada de 0,040 mm para um aço ferramenta tipo VC 130 da VILLARES (ASTM D3) 0,050mm para um aço para rolamento tipo VC52 (AISI 52100) e 0,10mm para um aço carbono tipo VT45 (AISI 1045).
A dureza da camada boretada atinge a faixa de 1700 a 2000 HV. Para este nível de dureza não há mais conversão para outras escalas; como comparação, 900 HV correspondem a aproximadamente 68 HRC. Devido a esta camada extremamente dura a boretação é aplicada em peças sujeitas a desgaste por abrasão.
CLIENTES E PARCEIROS
