Baixe 9 carbonitretação e outras Notas de estudo em PDF para Mecatrônica, somente na Docsity!
CARBONITRETAÇÃO
Introdução:
Carbonitretação é um processo modificado de cementação gasosa. A modificação consiste na introdução de amônia na atmosfera do forno, que já contém gases cementantes. O nitrogênio nascente, oriundo da dissociação da amônia, difunde no aço, juntamente com o carbono, em temperaturas entre 760 e 900 o^ C. Após o processo de carbonitretação, são feitos têmpera e revenimento, objetivando obter peças com uma camada superficial dura e de alta resistência ao desgaste, com espessura entre 0,07 e0,8 mm. Por empregar menores temperaturas que a cementação gasosa e, normalmente, menores tempos, a espessura da camada produzida é menor. A utilização de menores temperaturas e meio de têmpera menos severo (utiliza-se normalmente óleo ou gás), provoca menores níveis de distorção, implicando em menor retrabalho para endireitamento de peças tratadas e melhor qualidade em termos dimensionais. Comparada com outros processos termoquímicos, particularmente com a cementação, a carbonitretação fornece uma camada superficial de menor espessura, porém com maior resistência à fadiga e ao impacto; sua resistência ao amolecimento pelo calor também é maior, tanto no processo de revenimento como em serviços à temperaturas superiores à ambiente. A tabela em anexo mostra um resumo dos tratamento termoquímicos comerciais, onde é possível fazer um comparativo entre temperaturas utilizadas, profundidade de camada, vantagens e desvantagens desses tratamento.
Carbonitretação, têmpera e revenimento:
1- Atmosfera para carbonitretação A atmosfera utilizada para carbonitretação é produzida adicionando-se 2 a 10 % de amônia na atmosfera padrão para cementação gasosa. Os fatores principais que determinam a quantidade de amônia na atmosfera são:
- velocidade de circulação da atmosfera: quanto maior a velocidade de circulação da atmosfera no forno, menor é a porcentagem de amônia requerida.
- tempo de ciclo no forno: o teor de nitrogênio absorvido pelo aço aumenta com o tempo do ciclo; assim, para uma determinada espessura de camada desejada, ciclos mais longos exigem menores porcentagens de amônia da atmosfera.
- temperatura do forno: aumentando a temperatura de carbonitretação, diminui a quantidade de nitrogênio absorvido pelo aço; para compensar o efeito do aumento da temperatura é necessário aumentar a porcentagem de amônia da atmosfera.
- tipo de aço: a fim de evitar excesso de austenita retida (F 0 6 7R) na superfície das peças carbonitretadas, deve-se diminuir a porcentagem de amônia da atmosfera utilizada para tratar aços ligados, principalmente aqueles contendo Ni e/ou Mn.
2- Efeitos da temperatura e tempo de carbonitretação, circulação de atmosfera e arranjo da carga sobre a homogeneidade da camada Como previsto pelas leis de difusão, aumentando a temperatura e/ou tempo de carbonitretação, aumenta a profundidade da camada obtida.
Para se obter uma camada carbonitretada uniforme em toda a superfície da peça e me toda a carga, é importante que, tanto a temperatura como a atmosfera, sejam homogêneas no forno, durante todo o ciclo. No caso de forno câmara (batch), é necessário um ventilador para conseguir uma circulação forcada de ar. A distribuição da carga no forno também é importante, pois a não renovação da atmosfera junto a um determinado ponto da peça implica em fornecimento deficiente de C e N na região. Um bom fornecimento de C e N é conseguido distribuindo-se bem as peças na cesta ou no forno, para permitir a circulação da atmosfera entre elas e, também, pelo uso do ventilador. Para carbonitretaçao de peças pequenas, este arranjo é impraticável. Neste caso deve-se utilizar fornos tipo retorta, o qual, durante seu movimento de rotação, expõe periodicamente a superfície das peças à ação da atmosfera.
3- Composição da camada A distribuição de C e N ao longo da espessura da camada depende da:
- composição da atmosfera
- temperatura e tempo de carbonitretação
- composição do aço A figura “A” mostra que, aumentando o teor de amônia no forno, aumenta a quantidade de nitrogênio e diminui a quantidade de carbono fornecido à peça (o aumento do teor de amônia provoca uma diluição dos gases carbonetantes). Essa figura mostra também que, diminuindo a temperatura de carbonitretação, ocorre um aumento de nitrogênio e diminuição de carbono fornecidos à peça. A Figura “C” mostra a distribuição de C, N e dureza da camada de dois aços carbonitretados por 4h a 845 o^ C. Pode-se observar que, apesar da pequena variação de distribuição dos dois elementos, a curva de dureza variou acentuadamente, mostrando a melhor resposta ao tratamento do aço ABNT 8620, que contém elementos de liga.
4- Têmpera Como mencionado, após o ciclo de carbonitretação a peça deve ser temperada, objetivando transformar a austenita em martensita. A seleção do meio de têmpera depende da:
- distorção permitida
- forma e tamanho da peça
- composição química do aço (temperabilidade)
- dureza desejada
- tipo de forno utilizado
Como o nitrogênio diminui a temperatura de transformação martensitica (abaixa a faixa de M (^) s/M (^) f ),
ocorrerá maior porcentagem de austenita retida em aços carbonitretados do que em aços cementados, com mesmo teor de C. Sendo a austenita retida (F 0 6 7R ) um constituinte de baixa dureza, quanto maior sua quantidade na camada menor será a dureza e resistência ao desgaste do aço, o que é indesejável em muitas aplicações. Para eliminar a austenita retida (F 0 6 7R ) ou pelo menos diminuir sua quantidade, faz-se um tratamento
sub-zero que consiste em imergir a carga em um meio a temperatura abaixo de –40 o^ C
Estrutura após têmpera Estrutura após tratamento sub-zero (2h a – 75 o^ C
A figura acima representa o efeito do tratamento sub-zero na microestrutura do aço ABNT 8617, carbonitretado a 845 o^ C por 4h e temperado em óleo. Ataque: Nital com aumento de 200X.
O tratamento sub-zero é caro, devendo ser evitado sempre que possível; além disso pode provocar microtrincas na superfície da peça, principalmente se o aço tiver granulação grosseira. Como a região mais rica em austenita retida (F 0 6 7R ) é a camada superficial, pode-se eliminá-la , dependendo do caso, através de lixamento ou de jateamento com granalhas de aço de alta dureza (“shot peening”); este último provoca:
- transformação parcial em martensita
- encruamento Estes dois efeitos contribuem para aumentar a dureza superficial da peça e aumentar a resistência à nucleação de trincas superficiais, resultando em maior resistência ao desgaste e à fadiga.
2- Formação de vazios Vazios subsuperficiais ou porosidades na camada podem ocorrer em peças carbonitretadas em condições não adequadas, principalmente se o teor de amônia na atmosfera for excessivo.
A figura acima mostra o efeito da porcentagem de amônia e da temperatura de tratamento sobre a formação de vazios em amostras submetidas a três ciclos diferentes de carbonitretação.
3- Gradiente de dureza O perfil de dureza da camada carbonitretada depende de sua microestrutura. Processos efetuados em atmosferas muito ricas em amônia (maior que 10%) provoca um enriquecimento superficial em nitrogênio, o qual, por sua vez acentua a retenção de austenita (F 0 6 7), gerando gráficos conforme a figura abaixo.
Para aumentar a dureza superficial é necessário diminuir a porcentagem de amônia da atmosfera e/ou introduzir uma etapa de difusão, no final do ciclo de carbonitretação.
No processo de carbonitretação, são utilizados gases tóxicos, inflamáveis e explosivos para compor a atmosfera do forno, requerendo cuidados especiais no que diz respeito a vazamento, exaustão e ventilação do ambiente. O armazenamento do tanque ou cilindros desses gases deve ser feito longe dos fornos, protegidos do sol, longe do estoque de outros combustíveis e de preferência numa sala bem ventilada, com paredes à prova de fogo. Quanto à utilização, em nenhuma circunstância a atmosfera carbonetante e amônia devem ser introduzidas no forno a temperaturas abaixo de 760 o^ C, sob risco de se provocar explosão.
Quando, por qualquer razão, for preciso baixar a temperatura do forno, deve-se chegar até 760 o^ C e purgar o forno com gás carregador para diluir a atmosfera carbonitretante; somente após esse procedimento é que a temperatura poderá ser reduzida abaixo de 760 oC. De qualquer forma esta operação é perigosa e deve ser executada somente por pessoal bem treinado.
