Carbonetação é um processo de adicionar carbono à superfície. Ele é conseguido pela exposição da peça a uma atmosfera rica em carbono em alta temperatura, que permite a transferência de átomos de carbono para o aço. O processo de difusão só ocorre se o aço tiver baixo teor de carbono porque a difusão baseia-se no princípio do diferencial de concentração.
Se um aço de alto carbono é aquecido em um ambiente livre de carbono (como ar), a difusão do carbono tende a ocorrer no sentido inverso ( átomos de carbono saem do aço) , resultando na descarbonetação.
A carbonetação pode ser feita de três formas : sólida, com gás e com líquido. Em todos os casos não existe limite técnico para a profundidade de endurecimento, mas valores acima de 1,5 mm não são usuais.
Todos os tipos de carbonetação requerem a têmpera a partir da temperatura do tratamento ou a partir de uma temperatura mais baixa, ou ainda reaquecimento e têmpera. As peças são então revenidas para o grau de dureza desejado.
Variação de profundidade de carbonetação com o tempo
Tipos de carbonetação:
Sólida,
Gasosa,
Líquida.
Carbonetação Sólida ou em caixa
Neste processo a peça é colocada num container de aço selado, contendo carvão granulado. O carvão é tratado com um ativador químico como carbonato de bário que promove a formação de CO2 . O gás reage com o próprio carvão formando monóxido, CO. O monóxido reage com a superfície da peça formando carbono atômico que difunde para o aço. Ver figura do processo abaixo. O processo de carbonetação não endurece o aço. Ele simplesmente aumenta o teor de carbono até uma profundidade pré-determinada, a um nível suficiente para permitir um endurecimento subseqüente por têmpera.
Tempo do processo: entre 4 e 10 horas
Carbonetação gasosa
Pode ser feita com qualquer gás a base de carbono, como metano, etano, propano ou gás natural. A maioria dos gases é inflamável, o que requer cuidados especiais para que o gás a aproximadamente 9000C não tenha contato com oxigênio. A vantagem deste processo em relação a carbonetação sólida é que a têmpera pode ser feita a partir da temperatura do tratamento. Fornos com sistema de esteira tornam possível o resfriamento em atmosfera controlada.
Carbonetação líquida
Pode ser executada em banhos de sal líquido, com aquecimento externo ou interno. O sal de carbonetação contém compostos de cianeto ( como cianeto de sódio- NaCN). O tempo do tratamento é mais curto que os demais ( 1 a 4 horas). A desvantagem do processo é a toxidez e o custo do descarte do material do banho.
NITRETAÇÃO
Neste processo o nitrogênio é difundido na superfície do aço a ser tratado. A reação do nitrogênio com o aço forma compostos duros de ferro e ligas de nitrogênio.
A camada nitretada resultante é mais dura que o aço ferramenta ou que o aço carbonetado. A vantagem deste processo é que a dureza é atingida sem têmpera em óleo , água ou ar. Outra vantagem é que a dureza é obtida numa atmosfera de nitrogênio que previne a escamação e a descoloração.
A temperatura de nitretação fica abaixo da temperatura crítica inferior do aço, normalmente entre 480 e 565 ºC.
A fonte de nitrogênio é amônia (NH3) . Na temperatura do tratamento, a amônia dissocia em nitrogênio e hidrogênio. O nitrogênio difunde no aço e o hidrogênio é eliminado por exaustão.
A figura abaixo mostra o aparato de nitretação.
Características
Durante o tratamento ocorre a formação da chamada ‘camada branca’ na superfície da peça. Esta camada é quebradiça e tem efeito negativo na vida da peça. A camada é removida para peças que serão submetidas á condições severas de serviço. A formação da camada pode também ser evitada pelo uso de dois estágios para nitretação.
Os aços nitretados mais comuns são aços liga cromo-molibdênio. Após o tratamento não devem ser feitas operações de retificação devido à alta dureza resultante.
CARBONITRETAÇÃO
Este processo envolve a difusão de ambos, carbono e nitrogênio na superfície do aço. O processo é conduzido em fornos com atmosfera de gás utilizando um gás de carbonetação como propano ou metano misturado com amônia.
O propano (ou metano) é a fonte de carbono enquanto a amônia é a fonte de nitrogênio. O esfriamento é conduzido em gás, com menor distorção do que o resfriamento em água.
As durezas obtidas no processo são inferiores àquelas obtidas por nitretação. Uma das vantagens do processo é que pode ser aplicado para aços carbono com significante profundidade de endurecimento. Provoca menos distorção do que a carbonetação. É conduzido a temperaturas acima da temperatura de transformação dos aços.
Cianetação
É um processo similar a carbonitretação e envolve a difusão de carbono e nitrogênio na superfície do aço. A fonte do elemento de difusão é um sal fundido a base de cianeto, como cianeto de sódio.
É um tratamento supercrítico ( temperaturas acima de 760 ºC). O tempo de difusão é menor do que uma hora, o que representa a maior vantagem do método. Entretanto apresenta alta distorção.
Métodos Seletivos
Endurecimento por Indução
Neste processo é usada uma corrente elétrica, cujo fluxo através de uma bobina induz aquecimento na peça. A freqüência da corrente induzida é alternada entre 60Hz e milhões de Hertz. A resistência ao fluxo da corrente causa um aquecimento muito rápido do material no núcleo. O núcleo é a própria peça. O calor flui de fora pra dentro da peça.
A peça deve ser resfriada (temperada) em água após o tratamento. A vantagem do processo é a sua velocidade e a maior desvantagem é o custo.
Endurecimento por Chama
O endurecimento por chama utiliza uma chama de gás combustível como fonte de calor para austenitização. O material deve ter ao menos 0,40% de carbono para que o método possa ser usado.
O meio de aquecimento pode ser oxi-acetilênio, propano ou outra combinação de gases combustíveis que possibilite taxas razoáveis de aquecimento. O processo é usualmente aplicado a lâminas de cisalhamento, guias de tornos, cilindros de laminação, etc...
Existem três modalidades de endurecimento por chama:
Localizado: a chama é dirigida para um ponto específico para aquecimento e endurecimento.
Rotativo: a peça a endurecer é girada enquanto em contato com a chama
Progressivo: a tocha e o meio de resfriamento se movimentam ao longo da superfície da peça a endurecer.
Endurecimento por Laser e Feixe de Elétrons
Estes dois processos podem ser usados para o endurecimento seletivo e cumprem a mesma função que a chama no endurecimento por chama, ou a bobina de indução no endurecimento por indução.
Só é aplicável a aços que tenham suficiente teor de carbono e elementos de liga para permitir a têmpera. Tanto o laser como o feixe de elétrons são usados para aumentar a temperatura da superfície da peça.
O processo de feixe de elétrons requer vácuo e as áreas cobertas no endurecimento ficam entre 0,010 e 0,015 sq.in
O processo a laser não necessita vácuo e o resfriamento pode ser feito com gás. As áreas cobertas no endurecimento são no máximo de 0,150 sq.in .
Ambos os métodos apresentam desvantagens. Uma delas é o custo alto do equipamento. A outra é que aços de alta liga podem não ter resposta ao tratamento, o que reduz sua aplicabilidade a aços de baixo carbono e de baixa liga.
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