INTRODUÇÃO TEÓRICA - Tratamento Termoquímico

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● 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, a taxa de resfriamento necessária para evitar essas transformações variam em larga escala, podendo ser determinadas através das curvas ITT

A martensita nada mais é que uma solução sólida de ferro supersaturada com carbono. Quando a microestrutura é austenítica os átomos de carbono distribuem-se no interior das unidades cristalinas CFC. Entretanto as unidades cristalinas CCC da ferrita são incapazes de acomodar os átomos de carbono sem que se produza considerável deformação do reticulado.

Aumentando a velocidade de resfriamento da austenita, podemos ultrapassar a velocidade de difusão do carbono. Ao atingirmos e superarmos esse ponto, impedimos a expulsão do carbono da solução sólida para a formação de cementita. Ao fazermos isso conseguimos “prender” o carbono dentro da estrutura do ferro alfa; e à isto damos o nome de martensita. A extrema dureza desta é atribuída à distorção do reticulado causada pela supersaturação.

2.2. Revênimento

A peça quando temperada fica extremamente dura e frágil, deixadas nessa situação, apresentarão alto tensionamento interno e haverá risco de trincamento, exceto com níveis de carbono baixos. Para atingir valores adequados de resistência mecânica de tenacidade, após a têmpera deve proceder o revenimento, que consiste em aquecer uniformemente até uma temperatura abaixo da de austenitização, mantendo o aço nessa temperatura até sua estabilização e obtenção das propriedades desejadas.

3. OBJETIVOS E PREMISSAS

3.1. Critérios adotados

Para aplicações comerciais, as peças são cementadas com teores de carbono entre 0,6% e 1,2% de carbono, e os valores mais comuns são entre 0,75% e 0,95% de carbono. O teor de carbono contido na camada cementada, depende da composição (quantidade de substâncias ativadoras) e da temperatura do processo. A profundidade do carbono depende da equação tempo versus temperatura, sendo que o principal responsável pela espessura da camada é a composição química do aço (HÖLTZ, 1992).

Para a realização do experimento, será utilizado um corpo de prova de aço ABNT 8620. Trata-se de um aço para cementação, de média temperabilidade, boa usinabilidade, boa soldabilidade e média resistência mecânica.

A composição química pode ser vista na figura a seguir:

3.2. Determinação da camada efetiva

A espessura desejada para a camada efetiva de cementação é de 0,75 mm. Dada a dificuldade em determinar a concentração exata de carbono contida na atmosfera interna do forno, trabalharemos com a hipótese de atmosfera com 0,8% de Carbono, valor comumente encontrado na indústria, para processos de cementação sólida.

Partindo desta premissa, e com auxílio do gráfico a seguir, pode-se afirmar que a estrutura final desejada é a martensítica, sem muita austenita retida, apresentando superfície com dureza na faixa de 58 a 62 HRC após a têmpera em óleo (62 a 65 HRC se temperado em agua). Para o núcleo, espera-se uma dureza variando entre 35 e 45 HRC (aço com 0,2% de carbono, sem difusão de carbono na altura de seu núcleo).

Como o objetivo deste experimento resume-se na determinação da camada efetiva cementada, e não na utilização prática do material, não será realizado o processo de revenimento. Embora este seja altamente recomendado para alívio das tensões internas provocadas pela têmpera.

Além disso, poderia-se aproveitar melhor as características químicas deste material, como os elementos de liga Cromo (Cr) e Molibidênio (Mo), que ajudam a retardar a taxa de diminuição da dureza durante o processo de revenimento, e também por produzirem finos carbonetos de liga, que geram um incremento de dureza a temperaturas maiores de revenimento, obtendo desta forma um endurecimento secundário.

3.3. Parâmetros para realização da cementação e têmpera

Uma vez determinada a espessura desejada para a camada efetiva, faz-se necessário calcular a temperatura ideal para o forno e tempo de duração do processo, de modo que a difusão do Carbono no material ocorra conforme esperado.

Baseado no gráfico a seguir, determinou-se os seguintes parâmetros para o processo de cementação:

Temperatura: 950ºC

Tempo: 1 hora

3.4. Resfriamento

Será adotado óleo mineral para resfriamento da amostra no processo de têmpera. De