UNESP – UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA
“JÚLIO DE MESQUITA FILHO”
Propriedade Mecânica dos Materiais Ensaio de Cementação
Paulo César C. Mirabelli
10123-1
SUMÁRIO
Objetivo..................................................................................................................3 Resumo..................................................................................................................3 Introdução Teórica................................................................................................3 Procedimentos Experimentais...............................................................................8 Resultados.............................................................................................................9 Comentários e discussões.....................................................................................12 Conclusões............................................................................................................13 Referências bibliográficas...................................................................................13
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1.
Objetivos
Estudar o efeito do tempo sobre a profundidade da camada enriquecida de carbono para o processo de cementação sólida (ou em caixa) realizado a uma determinada temperatura de tratamento.
2.
Resumo
Cementação é um tratamento termoquímico utilizado para aumentar a dureza superficial, geralmente em aços. Isto é feito introduzindo carbono na superfície do material depois da têmpera, para obter o ganho de maior resistência, em casos de fadiga por exemplo. Quanto mais alta é a temperatura, maior é o teor de carbono. O contrario se da utilizando pequenas quantidades de substâncias ativadoras e maior proporção de composto de cementação. Existe cementação sólida, líquida e gasosa.
3.
Introdução Teórica
Na construção de máquinas, é freqüente precisar-se de peças dotadas simultaneamente de uma boa resistência ao choque e uma dureza muito elevada para resistir bem ao desgaste, como por exemplo, os dentes de engrenagens, certas matrizes para estampagem, pinos móveis, eixos, articulações esféricas, etc. Essas duas propriedades são incompatíveis pelo menos nos aços carbono. Mas como a dureza que interessa é sempre a superficial, basta que a peça tenha essa qualidade apenas na parte periférica. Isto se consegue com auxílio do processo que em linhas gerais, vai ser descrito a seguir e que se denomina genericamente cementação. Os tratamentos térmicos visam o endurecimento superficial dos aços, pela modificação parcial da sua composição química nas secções que se deseja endurecer. A aplicação de calor em um meio apropriado pode levar essa alteração da composição química do aço até uma profundidade que depende da temperatura de aquecimento e do tempo de permanência à temperatura de tratamento em contato com o meio em questão. A modificação parcial da composição química, seguida geralmente de tratamento térmico apropriado, produz também uma alteração na estrutura do material, resultando, em resumo, uma modificação igualmente parcial das propriedades mecânicas. O objetivo principal é aumentar a dureza e resistência ao desgaste superficial, ao mesmo tempo em que o núcleo do material permanece dúctil e tenaz. Essa possibilidade de se aliar uma superfície dura com um núcleo mais mole e tenaz é de grande importância em inúmeras aplicações, sobretudo porque, pelo emprego de aços com 3
elementos de liga, pode-se conseguir núcleo de elevada resistência e tenacidade, com superfície extremamente dura, resultando num material capaz de suportar em alto grau certos tipos de tensões. O processo clássico de endurecimento superficial é a cementação , isto é, o enriquecimento superficial de carbono de certos aços, aquecidos convenientemente em contato com substâncias carbonáceas. Outro tratamento termo-químico de importância é a nitretação , em que se tem absorção superficial de nitrogênio. Finalmente, a cianetação e a carbo-nitretação permitem atingir-se praticamente o mesmo objetivo, pela introdução superficial simultânea de carbono e nitrogênio.
3.1
Cementação:
Este processo, muito antigo, pois os romanos já o praticavam, consiste na introdução de carbono na superfície do aço, de modo a que este, depois de convenientemente temperado, apresente uma superfície muito dura. É necessário que o aço, em contato com a substância capaz de fornecer carbono, seja aquecido a uma temperatura em que a solução do carbono no ferro seja fácil. Para isso, a temperatura deve ser à da zona crítica (850º a 950ºC), onde o ferro se encontrará na forma alotrópica gama. Por outro lado, a profundidade de penetração do carbono depende da temperatura e do tempo, sendo rápida a princípio, decrescendo depois. Os processos usuais de cementação, devem elevar o teor superficial de carbono até 0.8% ou 1,0%. Fundamentalmente, a cementação é um fenômeno de difusão, isto é relativo ao movimento de carbono no interior do aço. Portanto, a velocidade de enriquecimento superficial de carbono nos aços depende, em primeiro lugar, do seu coeficiente de difusão. Entretanto, na cementação influem também a fonte de suprimento de carbono e transferência deste para a superfície dos aços. Assim sendo, pode-se estabelecer que os fatores que influem sobre a velocidade de enriquecimento de carbono na superfície dos aços são os seguintes:
3.1.1- Teor inicial de carbono no aço: É obvio que, as outras variáveis permanecendo
constantes, quanto menor o teor inicial de carbono no aço, maior a velocidade de carbonetação.
3.1.2- Coeficiente de difusão do carbono no aço : Este é um fator de primordial importância,
visto que o fenômeno de enriquecimento superficial de carbono do aço é fundamentalmente um fenômeno de difusão, isto é, de movimentos relativos de carbono no interior do aço. De fato, o que se visa na cementação é a solução do carbono no ferro gama, fenômeno que é determinado pela velocidade do fluxo do carbono no ferro gama. Esse coeficiente de difusão é, por sua vez, uma função da temperatura e da concentração de carbono. Não é ele praticamente afetado pelo 4
tamanho de grão do aço, nem pela presença das impurezas normais (fósforo, enxofre e nitrogênio), nem pelos elementos de liga nos teores em que são usualmente encontrados nos aços-liga para cementação.
3.1.3- Temperatura: É o fator mais importante, pois além de afetar a difusão, acelerando-a
com a sua elevação, influi também na concentração de carbono na austenita e na velocidade de reação de carbonetação na superfície do aço.
3.1.4- Concentração de Carbono na Austenita : Como se sabe, a solubilidade de carbono
na austenita é determinada, no diagrama Fe-C, pela Linha Acm. Os elementos de liga tendem a deslocar a linha Acm para a esquerda, diminuindo os limites de concentração ou a solubilid ade do carbono no ferro gama ou na austenita. Contudo, essa influência é relativamente pequena para os teores usualmente encontrados nos aços-liga para cementação, com exceção do níquel, onde a influência é maior. Por outro lado, a difusão do carbono processando-se da concentração mais alta à concentração mais baixa do núcleo do material, forma um gradiente de carbono. Finalmente, deve ser observado, que a velocidade de difusão aumenta com crescentes concentração de carbono.
3.1.5- Natureza do Agente Carbonetante ou do Gás de Carbonetação : A reação
envolvendo a transferência de carbono ocorre na superfície do aço. Os agentes supridores de carbono podem ser considerados separadamente. Os dois mais comuns são CO e CH.
3.1.6- Velocidade de fluxo de gás: Esse fator influencia a velocidade de reação na
superfície e, dependendo da natureza do gás de carbonetação, pode ser decisiva, pois com alguns gases de cementação pode-se ter uma deposição não desejada de carbono do material ou uma carbonetação insuficiente, a não ser que se tomem todas as precauções para um perfeito equilíbrio entre a velocidade de fluxo do gás e a composição.
3.2. Cuidados:
Na cementação qualquer que seja o processo adotado, deve-se de início levar em consideração os seguintes pontos: - Para produzir uma combinação de uma superfície dura com um núcleo tenaz, deve-se partir, em princípio de um aço de baixo carbono. - A operação deve ser realizada a uma temperatura que coloque o aço no estado austenítico, geralmente entre 850º a 950ºC.
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Prefere-se na cementação aços de granulação fina, por sua melhor tenacidade tanto na superfície endurecida como no núcleo, apesar de ser conhecida melhor capacidade de endurecimento dos aços de granulação grosseira. Estes últimos, por outro lado, poderão exigir maior número de operações como: a inicial, para cementar (o que aumentará mais o tamanho do grão); uma segunda, de esfriamento lento; outra de aquecimento acima de A3 e Acm para refinar o grão do núcleo e colocar o excesso de carboneto em solução, seguindo-se resfriamento rápido; uma outra operação de aquecimento acima de A1 para ref inar a camada de alto carbono, seguida de resfriamento rápido e, finalmente, uma última operação para aliviar as tensões de têmpera. Os aços de granulação fina necessitam somente de uma operação de têmpera, a qual conforme o tipo de aço, pode ser realizada diretamente da temperatura de cementação.
3.3 - Cementação a alta temperatura:
Entre os processo mais recentes da técnica de cementação, deve-se citar a utilização de temperaturas superiores a 950ºC, com as seguintes vantagens sobre a cementação convencional: é mais rápida e o gradiente entre a superfície e o centro é mais gradual, porque o carbono se difunde mais rapidamente a temperaturas mais elevadas. Esse aumento de temperatura no tratamento de cementação tem sido possível pelos aperfeiçoamentos introduzidos nos fornos, nas ligas resistentes ao calor para elementos de resistência e no controle de atmosfera. Tem-se conseguido, assim, com certa facilidade temperaturas da ordem de 1010ºC, na cementação a gás, com apreciável aumento de produção.
3.4 - Processos de Cementação:
Existem três métodos de cementação: - por via sólida (também chamado "cementação em caixa", que foi o utilizado em nossa experiência); - por via gasosa; - por via líquida.
3.4.1 - Cementação sólida ou em caixa:
Neste processo, as peças de aço são colocadas em caixas metálicas, geralmente de açoliga resistente ao calor, em presença das chamadas misturas carbonetantes. As misturas mais usadas apresentam carvão de madeira, aglomerado com cerca de 5% a 20 % de uma substância ativadora, por meio de óleo comum ou óleo de linhaça em quantidades que variam de 5% a 10%. Prefere-se como substância diretamente carbonetante o carvão de madeira, devido sua pureza, com baixo teor de enxofre, com razoável resistência ao choque e à abrasão. Os ativadores mais comuns são carbonatos alcalinos ou alcalino-ferrosos, como carbonato de sódio, carbonato de 6
potássio, carbonato de cálcio e carbonato de bário. Este último é mais comum, sendo freqüentemente empregado em mistura com carbonato de sódio.
O mecanismo da cementação em caixa é o seguinte: - A temperaturas elevadas, por exemplo 900ºC, o carbono combina-se com o oxigênio do ar inicialmente presente no carvão de madeira; - O CO reage com o carbono do carvão incandescente; - O CO por sua vez reage com o ferro do aço, introduzindo-lhe carbono e formando mais CO ; - Este CO reage novamente com o carbono de carvão incandescente produzindo novo CO. A Cementação sólida é geralmente realizada a temperaturas que variam de 850ºC a 950ºC. Entretanto, como já foi mencionado, recentemente novas técnicas têm permitido, mesmo no caso da cementação em caixa, elevar a temperatura para além de 1000ºC, sem q ue se criem problemas em relação ao crescimento de grão, face ao tempo mais curto à temperatura e aos tipos modernos de aços usados. As principais reações de cementação sólida são: - às temperaturas elevadas, típicas do processo, o carbono reage e combina com o oxigênio do ar: C + O2 CO2
-o C02 reage com o carbono do carvão incandescente:
CO2 + C 2C0
- o CO reage, por sua vez, com o ferro do aço segundo a reação. 3Fe + 2C0 Fe3C + C0 2
- o CO2 originado reage novamente com o C do carvão incandescente e assim em seguida. A presença do ativador - por exemplo, BaCO3 - contribui para aumentar a velocidade de fornecimento do CO, pois às temperaturas de cementação, ocorrem as reações. BaCO3 BaO + CO2
CO2 + C - 2C0
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A cementação sólida é geralmente levada a efeito entre 850° e 950°C. Novas técnicas têm permitido elevar-se a temperatura para além de 1.000°, com a vantagem de ter-se um enriquecimento superficial de carbono mais rápido e um gradiente de carbono entre a superfície e o centro mais gradual.
4.
Procedimento Experimental
Aquecer 5 amostras, a 950°C numa caixa contendo o produto cementante, retirar uma amostra em cada um dos tempos estabelecidos e deixa-las resfriar ao ar. Embutir as amostras cementadas e prepara-las metalograficamente: lixamento (220, 320, 400 e 600), polimento e ataque com nital 3%. Medir a profundidade da camada enriquecida de C com auxílio de microscópio, utilizando aumento de 50,4X. Para medir a camada enriquecida de C (cementada), usar o banco metalográfico NEOPHOT 21, software Image Pro Express.
4.1.Corpos-de-prova
Amostra embutida como mostrado na figura 1.
Figura 1 – Amostra cementada.
4.2.Equipamentos
Lixadeira manual, politriz,microscópio e banco metalográfico NEOPHOT 21, software Image Pro Express.
4.3.Material
Aço ABNT 1014. 8
5. Resultados Primeiramente, vamos analisar a parte do experimento relacionada à cementação, na qual foram deixadas amostras por tempos distintos a 950°C. Feito o preparo das amostras, as imagens obtidas com aumento de 500x foram as seguintes:
As figuras acima mostram, respectivamente, a estrutura após diferentes horas de cementação. É visível que a profundidade da camada de alto carbono (escura) aumenta mais 9
quanto maior o tempo no forno. Essas profundidades (espessuras) foram medidas em cada um dos casos, e foi feito um gráfico espessura de alto carbono x tempo.
Tempo no forno a 950°C
Espessura média de alto C [μm]
1h 2h 3h 4h 5h
325,8 477,0 661,7 787.8 798,7
Com os dados da tabela, foi feito o gráfico na página seguinte.
Espessura de alto C x Tempo no forno 900 800 700
] m600 μ [ a 500 r u s s 400 e p s E 300 200 100 0 0
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4
5
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Tempo no forno [h]
Agora a segunda parte do experimento, que consiste em analisar os materiais que foram submetidos ao aumento de 500x, de acordo com sua composição, tratamentos a que foi submetido, e compará-los entre si.
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Aço AISI 1020 recozido
Pela imagem, podemos perceber que é um aço baixo carbono, devido ao predomínio da ferrita (fase branca) na sua composição. A fase perlítica está presente nos contornos de grãos, escuros.
Aço AISI 1045 recozido
Já é possível perceber um grande aumento na quantidade de carbono, com o aumento da fase escura (perlita). A perlita nesse caso, após tratamento de recozimento, está em sua forma mais gr osseira.
Aço AISI 1045 temperado em água
Nessa figura, o mesmo aço 1045 está temperado, ou seja, formando estrutura martensítica (fase cinza). Essa tempera não foi completa, pois ainda restam muitos pontos escuros (perlita) na sua estrutura.
Aço AISI 1060 fornecido
É um aço já com teor de carbono mais alto, onde há o predomínio da fase perlítica (escura). A perlita possui uma granulação fina, com lamelas visíveis de ferrita e cementita.
Aço AISI 1060 recozido
O mesmo aço 1060, agora recozido, apresenta uma fase perlítica mais grosseira, e maior quantidade de ferrita nos contornos de grão, quando comparado ao aço como fornecido.
Aço AISI 1060 temperado em água
Agora o 1060 temperado em água, é possível perceber que ocorreu transformação da estrutura em martensita (fase cinza). Existem também algumas partículas pretas na imagem, que podem ser impurezas no metal.
Aço AISI 1070 recozido
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É claramente um aço de alto carbono, com grandes “blocos” de perlita, e a ferrita se localizando nos contornos de grão.
Aço AISI 1090 recozido
É um aço de alto teor de carbono, no qual a estrutura é dominada por perlita. A ferrita presente é formada apenas por algumas lamelas no meio da grande fase perlítica.
Aço AISI 4140 temperado em água
O 4140 é um aço liga, muito temperável, e que pela imagem demonstra que toda sua estrutura foi transfomada em martensita, pois não há distinção de fases. Esse aço, nesse estado, possui alta dureza.
Aço VT35 recozido
É um aço Villares, equivalente ao AISI 1035. Possui um valor de médio carbono, o que fica evidenciado pela imagem. Onde podemos ver uma quantidade parecida tanto de perlita quanto de ferrita. A perlita, após recozimento, esta com estrutura grosseira, e já não ocupa mais apenas os contornos de grão da ferrita.
6. Comentários e Discussões
Na cementação sólida, a profundidade de penetração do carbono pode atingir 2 mm ou mais; como o processo é de controle relativamente difícil não se deve forçar a obtenção de uma camada cementada além de 0,6 a 0,7 mm, devido à quase impossibilidade de ter-se uma camada uniforme. O processo, de qualquer modo, é relativamente simples, pode utilizar vários tipos de fornos de aquecimento, não exige atmosfera protetora, não há necessidade de um operador muito experiente, diminui a tendência ao empenamento das peças por elas estarem sustentadas na mistura carburizante sólida etc. Entretanto, o processo não é tão limpo quanto os outros, não é recomendável para a obtenção de camadas cementadas muito finas, não permite um controle muito rigoroso do teor de carbono, não é adequado para têmpera direta, pois a melhor técnica consiste em retirar as caixas do forno e deixá-la resfriar ao ar etc. 12
7. Conclusões
A partir da experiência realizada podemos dizer que quanto maior o t empo de cementação, mais espessa será a camada cementada. Após a cementação, recomenda-se um tratamento de têmpera para maior endurecimento da camada cementada, como por exemplo, a tempera direta, a tempera simples ou a tempera dupla. Geralmente, os aços cementados e temperados não são revenidos. Eventualmente, procede-se a um revenido a baixa temperatura – entre 135° e 175°C – para alívio de tensões.
8.
Referências Bibliográficas
CHIAVERINI, Vicente. Tecnologia Mecânica . 2° edição, Volume III. São Paulo. Makron Books do Brasil Editora Ltda. 1986, 388p. Colpaert, Hubertus - Metalografia dos produtos Siderúrgicos Comunus; ed. Edgard Blucher Ltda. SOUZA, S. A.; “Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos (Fundamentos Teóricos e Práticos)”, editora Edgard Blücher Ltda, 5ª ed.1934. GARCIA, A.; “Ensaios dos Materiais ”, editora Livros Técnicos e Científicos, 2ª ed1999 – Campinas/SP.
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