INTRODUÇÃO TEÓRICA - Tratamento Termoquímico

1. INTRODUÇÃO TEÓRICA

1.1. Tratamento Termoquímico

Tratamentos termoquímicos são processos que visam a adição, por difusão, de elementos químicos na superfície do aço, como carbono, nitrogênio, por exemplo, além de outros diversos. Por ocorrerem em altas temperaturas são denominados tratamentos termoquímicos. O principal objetivo é alterar as propriedades mecânicas superficiais de um material, como a dureza, por exemplo, mantendo as características iniciais em seu nucleo, como a tenacidade.

1.2. Cementação

Cementação é um tratamento termoquímico de endurecimento superficial utilizado em aços com baixo teor de carbono. O processo é dividido em duas operações sucessivas, a primeira é a carbonização (cementação) e a segunda a tempera.

A cementação consiste na difusão de carbono com a superfície do aço através de uma reação química por meio de carvão vegetal rico em carbono em um material com baixo teor do mesmo, (C<0,30%), elevando assim, o teor de carbono na superfície até 0,8% e 1,0%.

Com a cementação a camada superficial adquire alta dureza, mantendo o núcleo com uma dureza menor, consequentemente teremos um material resistente ao desgaste e a fadiga na superfície, com uma elevada tenacidade no núcleo.

Materiais com alto teor de carbono são difíceis de serem usinados, e são os que oferecem as melhores propriedades mecânicas, além de manter as propriedades no núcleo como já dito anteriormente, o que proporciona uma alta aplicabilidade, como por exemplo, engrenagens, eixos, etc.

1.2.1. Materiais utilizados

O processo é utilizado em aços carbono e aços de baixa liga;

● AISI 1010 a 1035.

● AISI 2317, 2325, 3115, 4617, 8620,9310, etc.

1.2.2. Tipos de Cementação

A cementação pode ser feita por diversos métodos, cada um com suas vantagens e desvantagens

● Sólida

● Gasosa

● Liquida

● Vácuo

● Plasma

1.2.2.1. Sólida

As peças são acondicionadas em caixas metalicas junto a um carvão de madeira ou coque, carbonato constituido de carbonato de bário com outros carbonatos, como cálcio, potássio e sódio.

Vantagens:

● Utilizado em grandes variedades de fornos

● Processo mais barato

Desvantagens:

● Não permite do controle do potencial de carbono na superficie

● Processo mais lento que os demais

● Dificuldade para obtenção de valores pré-determinados

● Temperaturas e camadas:

1.2.2.2. Gasosa

Consiste em se colocar a peça a ser cementada em um forno com atmosfera de potencial de carbono controlado. Indicada para processos contínuos de produção, devido a rapidez e fácil controle.

São utilizados para a cementação o gás natural, o propano, o butano ou o álcool etílico volatizado.

Vantagens:

● Processo mais limpo

● Melhor controle do teor de carbono e camada cementada

● Processo rápido

Desvantagens:

● Custo alto dos equipamentos

● Necessidade de mão de obra especializada

1.2.2.3. Liquida

Consiste em manter o aço em um banho de sal fundido, a profundidade da camada cementada depende da composição do banho e da temperatura, sabendo que podem ser utilizadas temperaturas relativamente baixas para obter camadas mais finas (0,13 a 0,25mm) e altas para obter entre 0,5 e 3,0mm. Os tempos de cementação variam bastante, podendo levar de 0,5 a 10 horas.

Vantagens:

● Obtenção de camadas altas em menos tempo

● Possibilidade de operação continua, colocação de peças em tempos diferentes.

Desvantagens:

● Processo menos limpo, produz resíduos tóxicos

● Necessidade de limpeza após o processo

1.3. Ciclo do carbono na cementação sólida

O princípio fundamental do processo de cementação sólida, se baseia na formação através de reações termoquímicas do gás Monóxido de Carbono (CO) e sua reação com a microestrutura austenítica (Fe γ), promovendo em elevada temperatura (850º a 1050ºC) a difusão do carbono a partir da superfície em direção ao núcleo do material. A figura 3 esquematiza a formação da atmosfera cementante, através das reações termoquímicas de dissociação do carbonato de cálcio (CaCO3) formando CO2 e a reação entre o carbono do granulado (CG) e o oxigênio, ambos promovendo a formação do gás “CO”. Portanto, é importante definir que o processo de cementação sólida é na realidade controlado por mecanismos de reação entre a superfície do material (Ferro γ) e o gás cementante formado (processo gasoso) (Foreman, 1991; Baumgarten, 2003).

As reações principais para a cementação sólida são (Costa e Silva e Mei, 2006):

Carvão + O2 CO2

Carvão + CO2 CO

BaCO3 + Carvão BaO + CO + Energia

2CO CO2 + (C)

(C) é o carbono nascente, que é absorvido pelo aço.

 

2. TRATAMENTOS TÉRMICOS

Após a cementação temos a necessidade de realizar os seguintes tratamentos térmicos:

2.1. Têmpera

A têmpera consiste em resfriar o aço, após a austenitização, a uma velocidade suficientemente rápida para evitar as transformações perlíticas e bainitas da peça. Assim obtém-se estrutura martênsitica,