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Os tratamentos termoquímicos
Os tratamentos termoquímicos


                    Turma 6821
Arthur Galvão, Fábio Borges, Israel Lima e Vitor Alex
Tratamentos Termoquímicos?
   “são os tratamentos que visam o endurecimento
 superficial dos aços, pela modificação parcial da sua
  composição química e aplicação simultânea de um
 tratamento térmico” Vicente Chiaverini (modificado)

Os tratamentos termoquímicos são também conhecidos
como tratamentos de endurecimento superficial (que é
sua principal finalidade)
A modificação da composição química se dá por
difusão termoquímica de elementos na superfície do
aço como: carbono, nitrogênio e boro, entre outros.
Pode ser usado também pra adquirir propriedades
como resistência à fadiga, à corrosão e à oxidação em
altas temperaturas
Tratamentos Termoquímicos!
Necessidade: Uma peça com uma boa resistência ao
choque e dureza elevada na superfície e um núcleo
dúctil e tenaz
Problema: Incompatibilidade de propriedades nos aços
carbonos
Resolução: A dureza importante é a dureza superficial.
Portanto endurece a superfície mantendo o núcleo
tenaz

Processo da resolução: Tratamentos Termoquímicos,
conhecidos como tratamento de endurecimento
superficial
Tipos de Tratamentos
            Termoquímicos
1.   Cementação (C)
2.   Nitretação (N)
3.   Cianetação (CN) (CNX)
4.   Carbonitretação (C + N)(C >N)
5.   Nitrocarbonetação (C + N) (N >C)
6.   Boretação (B)
7.   Tratamentos Termorreativos (CX + NX +
     CyNzX) (V, Nb, Ta, Cr , W e Mo)
Difusão Termoquímica?


    “é a matéria sendo transportada através da
                      matéria”
No caso da ligas a difusão é realizada concomitantemente pela:
• Superfície
• Contorno de Grão
• Através do volume sólido (Grão)
Dentro dos grãos a movimentação dos átomos se dá:
• Através dos defeitos na rede cristalina
• Através dos interstícios
• Forçosamente substituindo átomos
Difusão Termoquímica?


Difusão Termoquímica recebe este nome pois a
  energia de ativação é térmica:
Q volume (grão) > Q contorno de grão > Q superfície
Facilidade de difusão é inversamente proporcional a
  maior quantidade de energia de ativação
  (coeficiente de difusão)
Fotomontagem da Cementação
Termoquimicos
Cementação ou Carbonetação
Definição: Introdução de Carbono na superfície do aço de modo que
   quando depois de temperado tenha uma superfície mais dura.
Mais empregado; Mais antigo (Romanos); Seguido por têmpera
   (produzindo Martensita)
Tipos Cementação:
• A alta temperatura
• Sólida ou “em caixa”
• Liquida
• Gasosa
• Vácuo
• Plasma ou Iônica
Análise da camada cementada:
• Concentração de carbono antes do tratamento (-C) (+C)
• Tempo do tratamento (+t) (+C)
• Temperatura (+T) (+C)
• Agente Carbonetante (Facilidade de fornecer carbono)
• Velocidade de Fornecimento do Agente Carbonetante (Vcontr) (+C)
Termoquimicos
Cementação à
alta
temperatura
Reações Fundamentais
     Cementação ou Carbonetação

2 CO + 3 Fe      Fe3C + CO2
Gás carbônico
CH4 + 3 Fe       Fe3C + 2 H2
Gás Metano
Cementação ou Carbonetação
Tratamentos Térmicos na
  cementação:
• Normalização (Anterior) (Para permitir
  Usinagem -Retificação)
• Têmpera (Posterior) (Transformação
  em Martensita – Microconstituinte mais
  duro)
Profundidades da camada difusa
• Em média 0,8 a 1,0%C (t, T)
Cementação Sólida ou em Caixa
Carvão + O2                    CO2
Carvão + CO2                   CO
                                              gás tóxico e muito venenoso
                                              (250X)(CO>O2)

BaCO3 + Carvão  BaO + CO + Energia
substância ativadora (ou outros carbonatos)

[2 CO + 3Fe  Fe3C + CO2]
[(C) + 3Fe  Fe3C ]
Cementação Sólida ou em Caixa
Substâncias carbonáceas são sólidas portanto cementação
sólida
Misturas carburizantes: carvão de madeira;aglomerado com
5% à 20% de óleo comum ou óleo de linhaça; uma
substância ativadora (50% à 70% de carbonato de bário)
Cementação Sólida ou em Caixa
• Utilização de grande variedade de Fornos
• Precisam de resfriamento lento após a cementação
• Dificuldade de desempacotamento das peças
• Processo de cementação mais lento
• Temperaturas usuais: 815 a 955°C (às vezes 1095°C)
• Profundidade da camada cementada (0,6 a 6,9mm)
• Material das caixas: aço carbono revestida de alumínio > aço inox > aço C
Cementação Sólida ou em Caixa




  Forno Industrial Jung TT 200
Cementação gasosa
CH4       (C) + H2
80 a 90% do gás natural (gás metano)
C2H6     (C) + CH4 + H2
10 a 20% do gás natural (gás etano)
C3H8     (C) + XC2H6 + YCH4 + 2H2
(gás propano)
CH4       (C) + H2
(gás metano)
+ gás veiculo (diluir o gás cementante e não deixar diminuir
a temperatura devido as reações)
Cementação gasosa
Características:
•Cementação mais limpa que a sólida
•Tratamento mais complexo (segurança, controle e
técnica de operação)
•Profundidade da camada cementada: 0,5 a
2,0mm
•Equipamento de cementação gasosa é bastante
caro (Possibilidade de Processo continuo)
•Temperatura e tempo (profundidade de difusão)
•Possibilita têmpera direta (Evitando o
resfriamento)
Cementação gasosa




Forno para cementação gasosa à atmosfera controlada
Cementação gasosa




Equipamento para cementação gasosa processo continuo
Cementação Líquida
Cementação provocada por um banho de sal
fundido
                                                            Composição do banho, %

                                      Camada de pequena espessura             Camada de grande espessura
               Constituinte
                                          Baixa temperatura                       Alta temperatura
                                           (840° a 900°C)                          (900° a 955°C)

Cianeto de sódio                                10 a 23                                 6 a 16

Cloreto de bário                                0 a 40                                 30 a 35

Outros sais alcalinos                            0 a10                                  0 a 10

Cloreto de potássio                             0 a 25                                  0 a 20

Cloreto de sódio                                20 a 40                                 0 a 20

Carbonato de sódio                              30 max                                 30 max

Aceleradores de outros compostos de              0a5                                    0a2
metais alcalino-ferrosos

Cianeto de sódio                                1 max                                  0,5 max
Cementação Líquida
2 NaCN  Na2CN2 + (C)
2 CO + 3Fe  Fe3C + CO2
NaCN + CO2  NaCNO + CO
Profundidade da camada cementada:
• Banhos para baixa temperatura:0,13 a 0,25mm
• Banhos para alta temperatura:0,5 a 3,0mm
Proteção efetiva contra a descarbonetação
Produz resíduos de tóxicos de cianeto (Processo de Durofer)(polímero)
Cementação Líquida




Forno para cementação líquida- com aquecimento externo
Cementação Líquida




Forno para cementação líquida- com aquecimento externo
Cementação Líquida




Forno para cementação líquida- com aquecimento interno
Cementação Líquida
Cementação a Vácuo
Processo similar a cementação gasosa só que os gases são evacuados
   e preenchidos com gás nitrogênio
Temperado imediatamente em óleo
Cementação a Vácuo




    Forno de câmara simples
Cementação a Vácuo




    Forno de câmara dupla
Aços para Cementação
Aços Carbono
• superfície resistente ao desgaste com núcleo tenaz
• 1016 / 1018 / 1019 / 1022
• peças pequenas / temperadas em água
• aplicações onde não é exigido baixa distorção
Aços baixa-liga
• superfície resistente ao desgaste / núcleo resistente e
   dútil
• 4023 / 5110 / 4118 / 8620 / 4620
• temperados em óleo / baixa distorção
Aços média-liga
• aplicações onde é exigido menor distorção
• 4320 / 4817 / 9310
Microestrutura cementada
Nitretação
Definição: Introdução de Nitrogênio na superfície do
  aço
Temperatura do tratamento: 500 a 570°C
Não é necessário têmpera posterior
Tipos de nitretação:
• Gasosa
• Líquida
• Iônica ou a plasma
Razões de se fazer a nitretação
• Obter altíssima dureza superficial (70Rc) e alta
  resistência ao desgaste
• Melhorar a resistência à fadiga e a corrosão (exceto
  para os aços inoxidáveis)
Nitretação
(diagrama de equilíbrio Fe-N)
Nitretação a gás
Nitretação a gás
Aços empregados:
• Aços de baixa liga contendo alumínio
• Aços de médio carbono, ao cromo, das séries
  41xx, 43xx, 51xx, 61xx, 86xx, 87xx e 98xx
• Aços ferramenta com 5% cromo
• Aços inoxidáveis nitrônicos, Ferríticos,
  Martensíticos
• Aços conter alumínio ou cromo (Ideal série
  Nitraloy – 1%Al e 1,2%Cr)
Nitretação a gás
• Têmpera e revenimento a 25°C acima da
  temperatura de nitretação para garantir
  estabilidade dimensional
• Usinagem grosseira
• Revenimento para alívio de tensões
  (500°a 600°C)
• Usinagem Final
• Nitretação
• Retífica
Nitretação a gás
Nitretação a gás




Forno de Nitretação gasosa
Nitretação a plasma
Nitretação a plasma
Termoquimicos
Termoquimicos
Nitretação Liquida
Nitretação




 Peça nitretada
Cianetação
Consiste em aquecer o aço em temperatura
  acima da linha de autenitização, em sal
  fundido, de modos que a superfície do aço
  absorva carbono e nitrogênio
Banhos de sal:
• 30 a 97% de cianeto de sódio
• 2 a40% carbonato de sódio
• 0 a 30% de cloreto de sódio
Temperatura de Tratamento: 760° e 870°C
Equipamentos da cementação líquida
Carbonitretação




   Peça carbonitretada
Nitrocarbonetação ou Nitrocementação

Tipos de
  Nitrocarbonetação:
• Ferrítica
• Oxinitrocarbonetação
• Austenítica
Nitrocabonetação:
Peça oxinitrocarbonetada
Boretação
Tipos de Boretação:
• Gasosa
• Líquida
• Sólida ou Pastosa
• Boretação com adição de outras propriedades
(+ X):
  –   Boroaluminização (Al)
  –   Borossiliconização (Si)
  –   Borocromização (Cr)
  –   Borocromotitanização (Cr + Ti)
  –   Borovanadização (V)
  –   Borocromovanadização (Cr + V)
Termoquimicos
Termorreação

É um processo de difusão
 mas também é
 considerado de
 deposição
Comparativo de dureza superficial

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Termoquimicos

  • 2. Os tratamentos termoquímicos Turma 6821 Arthur Galvão, Fábio Borges, Israel Lima e Vitor Alex
  • 3. Tratamentos Termoquímicos? “são os tratamentos que visam o endurecimento superficial dos aços, pela modificação parcial da sua composição química e aplicação simultânea de um tratamento térmico” Vicente Chiaverini (modificado) Os tratamentos termoquímicos são também conhecidos como tratamentos de endurecimento superficial (que é sua principal finalidade) A modificação da composição química se dá por difusão termoquímica de elementos na superfície do aço como: carbono, nitrogênio e boro, entre outros. Pode ser usado também pra adquirir propriedades como resistência à fadiga, à corrosão e à oxidação em altas temperaturas
  • 4. Tratamentos Termoquímicos! Necessidade: Uma peça com uma boa resistência ao choque e dureza elevada na superfície e um núcleo dúctil e tenaz Problema: Incompatibilidade de propriedades nos aços carbonos Resolução: A dureza importante é a dureza superficial. Portanto endurece a superfície mantendo o núcleo tenaz Processo da resolução: Tratamentos Termoquímicos, conhecidos como tratamento de endurecimento superficial
  • 5. Tipos de Tratamentos Termoquímicos 1. Cementação (C) 2. Nitretação (N) 3. Cianetação (CN) (CNX) 4. Carbonitretação (C + N)(C >N) 5. Nitrocarbonetação (C + N) (N >C) 6. Boretação (B) 7. Tratamentos Termorreativos (CX + NX + CyNzX) (V, Nb, Ta, Cr , W e Mo)
  • 6. Difusão Termoquímica? “é a matéria sendo transportada através da matéria” No caso da ligas a difusão é realizada concomitantemente pela: • Superfície • Contorno de Grão • Através do volume sólido (Grão) Dentro dos grãos a movimentação dos átomos se dá: • Através dos defeitos na rede cristalina • Através dos interstícios • Forçosamente substituindo átomos
  • 7. Difusão Termoquímica? Difusão Termoquímica recebe este nome pois a energia de ativação é térmica: Q volume (grão) > Q contorno de grão > Q superfície Facilidade de difusão é inversamente proporcional a maior quantidade de energia de ativação (coeficiente de difusão)
  • 10. Cementação ou Carbonetação Definição: Introdução de Carbono na superfície do aço de modo que quando depois de temperado tenha uma superfície mais dura. Mais empregado; Mais antigo (Romanos); Seguido por têmpera (produzindo Martensita) Tipos Cementação: • A alta temperatura • Sólida ou “em caixa” • Liquida • Gasosa • Vácuo • Plasma ou Iônica Análise da camada cementada: • Concentração de carbono antes do tratamento (-C) (+C) • Tempo do tratamento (+t) (+C) • Temperatura (+T) (+C) • Agente Carbonetante (Facilidade de fornecer carbono) • Velocidade de Fornecimento do Agente Carbonetante (Vcontr) (+C)
  • 13. Reações Fundamentais Cementação ou Carbonetação 2 CO + 3 Fe  Fe3C + CO2 Gás carbônico CH4 + 3 Fe  Fe3C + 2 H2 Gás Metano
  • 14. Cementação ou Carbonetação Tratamentos Térmicos na cementação: • Normalização (Anterior) (Para permitir Usinagem -Retificação) • Têmpera (Posterior) (Transformação em Martensita – Microconstituinte mais duro) Profundidades da camada difusa • Em média 0,8 a 1,0%C (t, T)
  • 15. Cementação Sólida ou em Caixa Carvão + O2  CO2 Carvão + CO2  CO gás tóxico e muito venenoso (250X)(CO>O2) BaCO3 + Carvão  BaO + CO + Energia substância ativadora (ou outros carbonatos) [2 CO + 3Fe  Fe3C + CO2] [(C) + 3Fe  Fe3C ]
  • 16. Cementação Sólida ou em Caixa Substâncias carbonáceas são sólidas portanto cementação sólida Misturas carburizantes: carvão de madeira;aglomerado com 5% à 20% de óleo comum ou óleo de linhaça; uma substância ativadora (50% à 70% de carbonato de bário)
  • 17. Cementação Sólida ou em Caixa • Utilização de grande variedade de Fornos • Precisam de resfriamento lento após a cementação • Dificuldade de desempacotamento das peças • Processo de cementação mais lento • Temperaturas usuais: 815 a 955°C (às vezes 1095°C) • Profundidade da camada cementada (0,6 a 6,9mm) • Material das caixas: aço carbono revestida de alumínio > aço inox > aço C
  • 18. Cementação Sólida ou em Caixa Forno Industrial Jung TT 200
  • 19. Cementação gasosa CH4  (C) + H2 80 a 90% do gás natural (gás metano) C2H6  (C) + CH4 + H2 10 a 20% do gás natural (gás etano) C3H8  (C) + XC2H6 + YCH4 + 2H2 (gás propano) CH4  (C) + H2 (gás metano) + gás veiculo (diluir o gás cementante e não deixar diminuir a temperatura devido as reações)
  • 20. Cementação gasosa Características: •Cementação mais limpa que a sólida •Tratamento mais complexo (segurança, controle e técnica de operação) •Profundidade da camada cementada: 0,5 a 2,0mm •Equipamento de cementação gasosa é bastante caro (Possibilidade de Processo continuo) •Temperatura e tempo (profundidade de difusão) •Possibilita têmpera direta (Evitando o resfriamento)
  • 21. Cementação gasosa Forno para cementação gasosa à atmosfera controlada
  • 22. Cementação gasosa Equipamento para cementação gasosa processo continuo
  • 23. Cementação Líquida Cementação provocada por um banho de sal fundido Composição do banho, % Camada de pequena espessura Camada de grande espessura Constituinte Baixa temperatura Alta temperatura (840° a 900°C) (900° a 955°C) Cianeto de sódio 10 a 23 6 a 16 Cloreto de bário 0 a 40 30 a 35 Outros sais alcalinos 0 a10 0 a 10 Cloreto de potássio 0 a 25 0 a 20 Cloreto de sódio 20 a 40 0 a 20 Carbonato de sódio 30 max 30 max Aceleradores de outros compostos de 0a5 0a2 metais alcalino-ferrosos Cianeto de sódio 1 max 0,5 max
  • 24. Cementação Líquida 2 NaCN  Na2CN2 + (C) 2 CO + 3Fe  Fe3C + CO2 NaCN + CO2  NaCNO + CO Profundidade da camada cementada: • Banhos para baixa temperatura:0,13 a 0,25mm • Banhos para alta temperatura:0,5 a 3,0mm Proteção efetiva contra a descarbonetação Produz resíduos de tóxicos de cianeto (Processo de Durofer)(polímero)
  • 25. Cementação Líquida Forno para cementação líquida- com aquecimento externo
  • 26. Cementação Líquida Forno para cementação líquida- com aquecimento externo
  • 27. Cementação Líquida Forno para cementação líquida- com aquecimento interno
  • 29. Cementação a Vácuo Processo similar a cementação gasosa só que os gases são evacuados e preenchidos com gás nitrogênio Temperado imediatamente em óleo
  • 30. Cementação a Vácuo Forno de câmara simples
  • 31. Cementação a Vácuo Forno de câmara dupla
  • 32. Aços para Cementação Aços Carbono • superfície resistente ao desgaste com núcleo tenaz • 1016 / 1018 / 1019 / 1022 • peças pequenas / temperadas em água • aplicações onde não é exigido baixa distorção Aços baixa-liga • superfície resistente ao desgaste / núcleo resistente e dútil • 4023 / 5110 / 4118 / 8620 / 4620 • temperados em óleo / baixa distorção Aços média-liga • aplicações onde é exigido menor distorção • 4320 / 4817 / 9310
  • 34. Nitretação Definição: Introdução de Nitrogênio na superfície do aço Temperatura do tratamento: 500 a 570°C Não é necessário têmpera posterior Tipos de nitretação: • Gasosa • Líquida • Iônica ou a plasma Razões de se fazer a nitretação • Obter altíssima dureza superficial (70Rc) e alta resistência ao desgaste • Melhorar a resistência à fadiga e a corrosão (exceto para os aços inoxidáveis)
  • 37. Nitretação a gás Aços empregados: • Aços de baixa liga contendo alumínio • Aços de médio carbono, ao cromo, das séries 41xx, 43xx, 51xx, 61xx, 86xx, 87xx e 98xx • Aços ferramenta com 5% cromo • Aços inoxidáveis nitrônicos, Ferríticos, Martensíticos • Aços conter alumínio ou cromo (Ideal série Nitraloy – 1%Al e 1,2%Cr)
  • 38. Nitretação a gás • Têmpera e revenimento a 25°C acima da temperatura de nitretação para garantir estabilidade dimensional • Usinagem grosseira • Revenimento para alívio de tensões (500°a 600°C) • Usinagem Final • Nitretação • Retífica
  • 40. Nitretação a gás Forno de Nitretação gasosa
  • 47. Cianetação Consiste em aquecer o aço em temperatura acima da linha de autenitização, em sal fundido, de modos que a superfície do aço absorva carbono e nitrogênio Banhos de sal: • 30 a 97% de cianeto de sódio • 2 a40% carbonato de sódio • 0 a 30% de cloreto de sódio Temperatura de Tratamento: 760° e 870°C Equipamentos da cementação líquida
  • 48. Carbonitretação Peça carbonitretada
  • 49. Nitrocarbonetação ou Nitrocementação Tipos de Nitrocarbonetação: • Ferrítica • Oxinitrocarbonetação • Austenítica
  • 51. Boretação Tipos de Boretação: • Gasosa • Líquida • Sólida ou Pastosa • Boretação com adição de outras propriedades (+ X): – Boroaluminização (Al) – Borossiliconização (Si) – Borocromização (Cr) – Borocromotitanização (Cr + Ti) – Borovanadização (V) – Borocromovanadização (Cr + V)
  • 53. Termorreação É um processo de difusão mas também é considerado de deposição
  • 54. Comparativo de dureza superficial